疲勞強(qiáng)度是影響材料及構(gòu)件可靠性的關(guān)鍵指標(biāo)之一。提高材料疲勞強(qiáng)度,可以提高工程構(gòu)件長(zhǎng)期服役可靠性,有助于實(shí)現(xiàn)構(gòu)件輕量化,能夠提高能源利用效率。

前期,中國(guó)科學(xué)院金屬研究所研究員張哲峰團(tuán)隊(duì)等,將GCr15軸承鋼拉-拉疲勞強(qiáng)度提高到1600 MPa,拉-壓疲勞強(qiáng)度提高到1103 MPa,制備出具有超高比疲勞強(qiáng)度的近無(wú)微孔3D打印鈦合金,突破了拉-拉比疲勞強(qiáng)度世界紀(jì)錄。但是,探究材料疲勞強(qiáng)度的提升空間及優(yōu)化原則,仍是疲勞領(lǐng)域的關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題。

近日,該團(tuán)隊(duì)報(bào)道關(guān)于金屬材料疲勞強(qiáng)度理論上限的成果,提出金屬材料抗疲勞設(shè)計(jì)“四原則”,并在冷拔珠光體鋼絲中實(shí)現(xiàn)當(dāng)前最高的拉-拉疲勞強(qiáng)度(2017 MPa),將現(xiàn)有材料拉-拉疲勞強(qiáng)度世界紀(jì)錄(1600MPa)提高26%。

研究從提高金屬材料疲勞強(qiáng)度理論上限出發(fā),提出抗疲勞設(shè)計(jì)“四原則”——高彈性模量,決定理論強(qiáng)度上限;“細(xì)穩(wěn)勻”組織,保證無(wú)顯著強(qiáng)度弱區(qū);極小尺寸夾雜/缺陷,降低局部應(yīng)力集中;最優(yōu)拉伸性能,兼具高彈性極限與應(yīng)變硬化能力。

基于上述原則,研究選擇傳統(tǒng)金屬材料中具有最高彈性模量的鋼,并具體到組織極細(xì)且穩(wěn)定的珠光體鋼,來(lái)探討疲勞強(qiáng)度理論上限。研究通過(guò)冷拔工藝,消除弱取向片層,形成<110>織構(gòu),提升組織強(qiáng)度均勻性。研究通過(guò)固溶強(qiáng)化、加工硬化和晶界強(qiáng)化協(xié)同作用,實(shí)現(xiàn)2850 MPa超高彈性極限和3525 MPa超高抗拉強(qiáng)度。上述高強(qiáng)均勻組織,可抑制滑移帶應(yīng)變局部化導(dǎo)致的疲勞開(kāi)裂,獲得超高理論疲勞強(qiáng)度。研究通過(guò)超純凈冶煉和后續(xù)多道次拉拔,實(shí)現(xiàn)珠光體鋼絲夾雜物平均尺寸僅1.38 μm,降低應(yīng)力集中。在現(xiàn)有冶煉水平下,夾雜物不可避免,因此通過(guò)優(yōu)化拉拔工藝,使鋼絲在具有超高強(qiáng)度的同時(shí)仍保留一定應(yīng)變硬化能力,從而降低夾雜物周?chē)M織應(yīng)力集中程度。在強(qiáng)<110>織構(gòu)的納米片層組織冷拔珠光體鋼絲中,研究提高了拉-拉疲勞強(qiáng)度及拉-拉比疲勞強(qiáng)度世界紀(jì)錄。

相關(guān)研究成果發(fā)表在《國(guó)家科學(xué)評(píng)論》(National Science Review)上。研究工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金和中國(guó)科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專(zhuān)項(xiàng)(C類(lèi))等的支持。

金屬材料抗疲勞設(shè)計(jì)“四原則”以及冷拔珠光體鋼絲疲勞強(qiáng)度突破世界紀(jì)錄