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加快打造原始創(chuàng)新策源地，加快突破關(guān)鍵核心技術(shù)，努力搶占科技制高點(diǎn)，為把我國(guó)建設(shè)成為世界科技強(qiáng)國(guó)作出新的更大的貢獻(xiàn)。

——習(xí)近平總書(shū)記在致中國(guó)科學(xué)院建院70周年賀信中作出的“兩加快一努力”重要指示要求

面向世界科技前沿、面向經(jīng)濟(jì)主戰(zhàn)場(chǎng)、面向國(guó)家重大需求、面向人民生命健康，率先實(shí)現(xiàn)科學(xué)技術(shù)跨越發(fā)展，率先建成國(guó)家創(chuàng)新人才高地，率先建成國(guó)家高水平科技智庫(kù)，率先建設(shè)國(guó)際一流科研機(jī)構(gòu)。

——中國(guó)科學(xué)院辦院方針

首頁(yè) > 科研進(jìn)展

高強(qiáng)鋼疲勞強(qiáng)度研究獲進(jìn)展

2025-03-11 金屬研究所

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語(yǔ)音播報(bào)

提高金屬材料疲勞強(qiáng)度是工程構(gòu)件安全服役的重要保障。作為目前已知疲勞強(qiáng)度最高的金屬結(jié)構(gòu)材料，高強(qiáng)鋼的拉伸強(qiáng)度已突破3GPa，但其拉-壓疲勞強(qiáng)度未能突破1GPa瓶頸。

中國(guó)科學(xué)院金屬研究所研究員張哲峰團(tuán)隊(duì)與中國(guó)科學(xué)院院士李殿中團(tuán)隊(duì)合作，在GCr15軸承鋼疲勞開(kāi)裂模型與性能優(yōu)化研究方面取得進(jìn)展。該研究建立了夾雜物-強(qiáng)韌性協(xié)同調(diào)控理論，并采用稀土改性技術(shù)，將軸承鋼的拉-拉疲勞強(qiáng)度、拉-壓疲勞強(qiáng)度提升至新水平。

該研究分析了GCr15軸承鋼中TiN和Al₂O₃兩類夾雜物的疲勞開(kāi)裂行為和疲勞壽命，揭示了兩類夾雜物類型對(duì)疲勞壽命影響的本質(zhì)在于它們的應(yīng)力集中效應(yīng)不同。定量模擬分析發(fā)現(xiàn)，在相同尺寸條件下，Al₂O₃夾雜物的疲勞壽命損傷系數(shù)較TiN高約30%。這為高強(qiáng)鋼冶煉過(guò)程中氮元素和氧元素的精準(zhǔn)控制提供了理論依據(jù)。

針對(duì)高強(qiáng)度狀態(tài)下夾雜物開(kāi)裂導(dǎo)致疲勞強(qiáng)度下降難題，該研究提出了疲勞開(kāi)裂臨界夾雜物尺寸判據(jù)，建立了高強(qiáng)鋼疲勞開(kāi)裂時(shí)抗拉強(qiáng)度、斷裂韌性與夾雜物尺寸之間定量關(guān)系，實(shí)現(xiàn)了在給定夾雜物參數(shù)條件下高強(qiáng)鋼強(qiáng)韌性能協(xié)同優(yōu)化抗疲勞的目標(biāo)，為高強(qiáng)鋼疲勞強(qiáng)度優(yōu)化設(shè)計(jì)與制造提供了新的理論判據(jù)。

進(jìn)一步，該研究對(duì)GCr15軸承鋼進(jìn)行稀土添加改性，降低了夾雜物尺寸，提升了夾雜物在疲勞載荷下的變形能力，形成了可剪切變形的夾雜物-基體界面，從而降低了夾雜物引起的應(yīng)力集中程度。在夾雜物控制基礎(chǔ)上，研究結(jié)合疲勞強(qiáng)度優(yōu)化判據(jù)，將其熱處理調(diào)至最優(yōu)狀態(tài)，獲得了拉-拉疲勞強(qiáng)度1600MPa，拉-壓疲勞強(qiáng)度1103MPa的抗疲勞高強(qiáng)鋼，分別比現(xiàn)有拉-拉疲勞強(qiáng)度和拉-壓疲勞強(qiáng)度世界紀(jì)錄提高4%和10%。

該研究建立了夾雜物控制-強(qiáng)韌性能匹配-缺陷界面優(yōu)化的系統(tǒng)性抗疲勞理論框架，為航空航天、軌道交通等領(lǐng)域的高端軸承材料研發(fā)提供了新技術(shù)路線。

近期，相關(guān)研究成果分別發(fā)表在《材料學(xué)報(bào)》（Acta Materialia）和《材料科學(xué)與技術(shù)雜志》（Journal of Materials Science & Technology）上。研究工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、中國(guó)科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)的支持。

論文鏈接：1、2

夾雜物疲勞開(kāi)裂判據(jù)

高強(qiáng)鋼疲勞強(qiáng)度突破：（a）拉-拉疲勞強(qiáng)度、（b）拉-壓疲勞強(qiáng)度

提高金屬材料疲勞強(qiáng)度是工程構(gòu)件安全服役的重要保障。作為目前已知疲勞強(qiáng)度最高的金屬結(jié)構(gòu)材料，高強(qiáng)鋼的拉伸強(qiáng)度已突破3GPa，但其拉-壓疲勞強(qiáng)度未能突破1GPa瓶頸。中國(guó)科學(xué)院金屬研究所研究員張哲峰團(tuán)隊(duì)與中國(guó)科學(xué)院院士李殿中團(tuán)隊(duì)合作，在GCr15軸承鋼疲勞開(kāi)裂模型與性能優(yōu)化研究方面取得進(jìn)展。該研究建立了夾雜物-強(qiáng)韌性協(xié)同調(diào)控理論，并采用稀土改性技術(shù)，將軸承鋼的拉-拉疲勞強(qiáng)度、拉-壓疲勞強(qiáng)度提升至新水平。該研究分析了GCr15軸承鋼中TiN和Al2O3兩類夾雜物的疲勞開(kāi)裂行為和疲勞壽命，揭示了兩類夾雜物類型對(duì)疲勞壽命影響的本質(zhì)在于它們的應(yīng)力集中效應(yīng)不同。定量模擬分析發(fā)現(xiàn)，在相同尺寸條件下，Al2O3夾雜物的疲勞壽命損傷系數(shù)較TiN高約30%。這為高強(qiáng)鋼冶煉過(guò)程中氮元素和氧元素的精準(zhǔn)控制提供了理論依據(jù)。針對(duì)高強(qiáng)度狀態(tài)下夾雜物開(kāi)裂導(dǎo)致疲勞強(qiáng)度下降難題，該研究提出了疲勞開(kāi)裂臨界夾雜物尺寸判據(jù)，建立了高強(qiáng)鋼疲勞開(kāi)裂時(shí)抗拉強(qiáng)度、斷裂韌性與夾雜物尺寸之間定量關(guān)系，實(shí)現(xiàn)了在給定夾雜物參數(shù)條件下高強(qiáng)鋼強(qiáng)韌性能協(xié)同優(yōu)化抗疲勞的目標(biāo)，為高強(qiáng)鋼疲勞強(qiáng)度優(yōu)化設(shè)計(jì)與制造提供了新的理論判據(jù)。進(jìn)一步，該研究對(duì)GCr15軸承鋼進(jìn)行稀土添加改性，降低了夾雜物尺寸，提升了夾雜物在疲勞載荷下的變形能力，形成了可剪切變形的夾雜物-基體界面，從而降低了夾雜物引起的應(yīng)力集中程度。在夾雜物控制基礎(chǔ)上，研究結(jié)合疲勞強(qiáng)度優(yōu)化判據(jù)，將其熱處理調(diào)至最優(yōu)狀態(tài)，獲得了拉-拉疲勞強(qiáng)度1600MPa，拉-壓疲勞強(qiáng)度1103MPa的抗疲勞高強(qiáng)鋼，分別比現(xiàn)有拉-拉疲勞強(qiáng)度和拉-壓疲勞強(qiáng)度世界紀(jì)錄提高4%和10%。該研究建立了夾雜物控制-強(qiáng)韌性能匹配-缺陷界面優(yōu)化的系統(tǒng)性抗疲勞理論框架，為航空航天、軌道交通等領(lǐng)域的高端軸承材料研發(fā)提供了新技術(shù)路線。近期，相關(guān)研究成果分別發(fā)表在《材料學(xué)報(bào)》（Acta Materialia）和《材料科學(xué)與技術(shù)雜志》（Journal of Materials Science & Technology）上。研究工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、中國(guó)科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)的支持。論文鏈接：1、2夾雜物疲勞開(kāi)裂判據(jù)高強(qiáng)鋼疲勞強(qiáng)度突破：（a）拉-拉疲勞強(qiáng)度、（b）拉-壓疲勞強(qiáng)度

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