【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】疲勞強(qiáng)度是影響材料及構(gòu)件可靠性的最關(guān)鍵指標(biāo)之一。提高材料的疲勞強(qiáng)度不僅可以提高工程構(gòu)件長期服役可靠性，還有助于實(shí)現(xiàn)構(gòu)件輕量化，有效提高能源利用效率。前期，中國科學(xué)院金屬研究所材料疲勞與斷裂團(tuán)隊分別與先進(jìn)鋼鐵材料團(tuán)隊、鈦合金團(tuán)隊合作，成功地將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，并制備出具有超高比疲勞強(qiáng)度(217 MPa/(g/cm³))的近無微孔3D打印鈦合金，突破了拉-拉比疲勞強(qiáng)度世界紀(jì)錄。然而，探索材料疲勞強(qiáng)度的提升空間及優(yōu)化原則仍是疲勞領(lǐng)域關(guān)鍵科學(xué)問題，近日，張哲峰研究員團(tuán)隊以“How high can the fatigue strength of metals be achieved?”(“金屬疲勞強(qiáng)度可達(dá)多高？”)為題，報道了探索金屬材料疲勞強(qiáng)度理論上限的相關(guān)成果，提出了金屬材料抗疲勞設(shè)計“四原則”，并在冷拔珠光體鋼絲中實(shí)現(xiàn)了當(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)提高了26%。
針對如何抑制疲勞損傷發(fā)生，團(tuán)隊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“四原則”：1)高彈性模量，決定理論強(qiáng)度上限；2)“細(xì)穩(wěn)勻”組織，保證無顯著強(qiáng)度弱區(qū)；3)極小尺寸夾雜/缺陷，降低局部應(yīng)力集中；4)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，選擇傳統(tǒng)金屬材料(鋼、鋁合金、銅合金、鈦合金、高溫合金、鎂合金)中具有最高彈性模量的鋼，并具體到組織極細(xì)且穩(wěn)定的珠光體鋼來探索疲勞強(qiáng)度理論上限。通過冷拔工藝消除弱取向片層，形成<110>織構(gòu)(圖1a,b)，提升組織強(qiáng)度均勻性。通過固溶強(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)致的疲勞開裂，獲得超高理論疲勞強(qiáng)度。通過超純凈冶煉和后續(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(圖1c)，顯著降低應(yīng)力集中。由于在現(xiàn)有冶煉水平下夾雜物不可避免，因此，通過優(yōu)化拉拔工藝，使鋼絲在具有超高強(qiáng)度的同時仍保留一定應(yīng)變硬化能力(圖1d-f)，從而降低夾雜物周圍組織應(yīng)力集中程度。最終，在強(qiáng)<110>織構(gòu)的納米片層組織冷拔珠光體鋼絲中，實(shí)現(xiàn)了拉-拉疲勞強(qiáng)度及拉-拉比疲勞強(qiáng)度世界紀(jì)錄的大幅提高(圖1h,i)。
該研究成果近日發(fā)表在《國家科學(xué)評論》(National Science Review)上，中國科學(xué)院金屬研究所特別研究助理許自寬博士和博士研究生蘇曉琳為共同第一作者，張鵬研究員和張哲峰研究員為論文共同通訊作者。該成果有望為多種金屬材料抗疲勞設(shè)計提供理論指導(dǎo)。
本研究工作得到中國科學(xué)院C類先導(dǎo)專項(XDC0260105)、國家自然科學(xué)基金創(chuàng)新研究群體(52321001)、重點(diǎn)(52130002)、面上項目(52371123和52494932)及金屬研究所創(chuàng)新基金培育項目(2024-PY07)的資助。
圖1. 金屬材料抗疲勞設(shè)計“四原則”及冷拔珠光體鋼絲疲勞強(qiáng)度突破世界紀(jì)錄
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