金屬所夾雜物對高強鋼超高周疲勞行為影響研究取得進展

　　中科院金屬研究所沈陽材料科學國家（聯合）實驗室材料疲勞與斷裂研究部工程材料疲勞研究組李守新研究員等人經過10年的努力，在夾雜物對高強鋼超高周疲勞行為影響研究方面取得一定進展。他們研究了彈簧鋼、軸承鋼等高強鋼在超高周疲勞（應力循環次數一般在107-109周）條件下，非金屬夾雜物（主要是硬脆的氧化物夾雜等）的大小對疲勞強度、疲勞壽命以及S-N曲線（應力-壽命曲線）的影響，以及氫含量對有關疲勞行為的影響。最近，李守新研究員應邀在International Materials Reviews上發表了英文評述性論文Effects of inclusions on the very high cycle fatigue properties of high strength steels（57(2012)92-114）。

　　科研人員首先對臨界夾雜尺寸進行了研究。大尺寸夾雜對疲勞危害很大，而小尺寸夾雜對疲勞的危害很小，甚至對某些力學性能產生有益影響，對于臨界尺寸的了解和掌握有利于鋼材的質量控制。因此對于一些高強鋼，在高周疲勞情況下（應力循環次數一般在105-107周），夾雜物的臨界尺寸約在6-10微米。而在超高周疲勞情況下（應力循環次數一般在107-109周），夾雜物的臨界尺寸約在3-5微米。另外，臨界夾雜尺寸隨強度提高趨向偏小的值。

　　研究發現，超高周疲勞強度 σw 及疲勞壽命 Nf  隨夾雜物尺寸D增大而降低，其依賴關系可以分別表示為：

　　式中，n1～0.17-0.19, n2～4.3-8.4。

　　目前，一些商業用高強鋼疲勞斷口上導致疲勞開裂的夾雜物尺寸平均約20微米，如果經過改進冶煉水平，相應斷口上夾雜物尺寸平均減少一半，達到10微米左右，可以預期疲勞強度將提高10%，疲勞壽命提高100倍（表達式（1）中，用n1=0.17, n2=6.5 估計）。該預測也與實驗結果比較符合，這也表明疲勞壽命對夾雜尺寸比較敏感。因此，對于高品質的高強鋼，控制夾雜物尺寸對于提高抵抗疲勞破壞的可靠性非常重要。

　　科研人員還對高強鋼中不同氫含量以及不同夾雜物尺寸如何影響超高周疲勞性能開展了研究。用 σw 表示具有很低氫含量高強鋼的疲勞強度，σ*w 為已經過充氫后高強鋼的疲勞強度，λ 為氫對疲勞的影響因子，即

　　經過實驗獲得λ的表達式為：

　　式中，CH 為氫含量（ppm）。實驗表明，氫含量在1ppm以上將顯著影響疲勞強度，氫含量在2ppm時疲勞強度可能下降到原來的70%。

　　此外，科研人員還對夾雜物尺寸如何影響高強鋼S-N曲線的形狀以及高強鋼中夾雜物作為疲勞起源的機制開展了深入研究。

　　由于疲勞斷口上疲勞起源處的夾雜往往是承擔最大應力測試體積內的最大夾雜，因此如果鋼中最大夾雜物尺寸和氫含量已知，就可以對其疲勞性能進行預測和評估。而利用統計極值法和廣義泊雷托法可以根據金相試樣上觀察到的多個夾雜物尺寸，預測不同體積鋼中最大夾雜物的尺寸。

　　在973項目（G19980615/G2004CB619100）的支持下，研究組與鋼鐵研究總院開展合作，獲得了比較系統的研究結果，2010年發表了中文專著《高強鋼超高周疲勞性能-非金屬夾雜物的影響》。