高强钢疲劳强度研究取得进展

提高金属材料的疲劳强度是工程构件安全服务的重要保证。高强钢作为目前已知疲劳强度最高的金属结构材料，其拉伸强度已经超过3GPa，但其拉压疲劳强度未能超过1GPa瓶颈。

在GCr15轴承钢疲劳开裂模型和性能优化研究方面，中国科学院金属研究所研究员张哲峰团队与中国科学院院士李殿中团队合作取得了进展。该研究建立了夹杂物-强韧性协同调节理论，采用稀土改性技术，将轴承钢的拉拉疲劳强度和拉压疲劳强度提高到一个新的水平。

对GCr15轴承钢中TiN和Al2O3两种夹杂物的疲劳开裂行为和疲劳寿命进行了分析，这表明两种夹杂物类型对疲劳寿命的影响本质在于其应力集中效应不同。根据定量模拟分析，Al2O3夹杂物在相同尺寸条件下的疲劳寿命损伤系数比TiN高30%左右。它为高强度钢冶炼过程中氮和氧的精确控制提供了理论依据。

针对高强度状态下夹杂物开裂导致疲劳强度下降的问题，本研究提出了疲劳开裂临界夹杂物尺寸的判断，建立了高强钢疲劳开裂时抗拉强度、断裂韧性和夹杂物尺寸之间的定量关系，实现了高强钢在给定夹杂物参数条件下协同优化抗疲劳强度的目标，为高强钢疲劳强度优化的设计和制造提供了新的理论证据。

此外，该研究对GCr15轴承钢进行了稀土添加和改性，减少了夹杂物的大小，提高了夹杂物在疲劳载荷下的变形能力，形成了一个可剪切变形的夹杂物-基体界面，从而降低了夹杂物引起的应力集中度。研究结合疲劳强度优化判断，在夹杂物控制的基础上，将其热处理调整到最佳状态，得到了1600MPa的抗疲劳强度和1103MPa的抗疲劳强度，分别比现有的拉-拉疲劳强度和拉-压疲劳强度提高了4%和10%。

该研究建立了系统的抗疲劳理论框架，夹杂物控制-强韧性匹配-缺陷界面优化，为航空航天、轨道交通等领域的高端轴承材料研发提供了新的技术路线。

最近，《材料学报》上分别发表了相关研究成果。(Acta Materialia)以及《材料科学与技术杂志》(Journal of Materials Science & Technology)上面。研究工作得到了国家自然科学基金、国家重点研发计划、中国科学院战略先导科技专项支持。