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金屬材料疲勞強度理論極限研究獲進展

文章來源：新能源網更新時間：2025-09-29 15:39:11

疲勞強度是影響材料及構件可靠性的關鍵指標之一。提高材料疲勞強度，可以提高工程構件長期服役可靠性，有助于實現構件輕量化，能夠提高能源利用效率。

　　前期，中國科學院金屬研究所研究員張哲峰團隊等，將GCr15軸承鋼拉-拉疲勞強度提高到1600 MPa，拉-壓疲勞強度提高到1103 MPa，制備出具有超高比疲勞強度的近無微孔3D打印鈦合金，突破了拉-拉比疲勞強度世界紀錄。但是，探究材料疲勞強度的提升空間及優化原則，仍是疲勞領域的關鍵科學問題。

　　近日，該團隊報道關于金屬材料疲勞強度理論上限的成果，提出金屬材料抗疲勞設計“四原則”，并在冷拔珠光體鋼絲中實現當前最高的拉-拉疲勞強度（2017 MPa），將現有材料拉-拉疲勞強度世界紀錄（1600MPa）提高26%。

　　研究從提高金屬材料疲勞強度理論上限出發，提出抗疲勞設計“四原則”——高彈性模量，決定理論強度上限；“細穩勻”組織，保證無顯著強度弱區；極小尺寸夾雜/缺陷，降低局部應力集中；最優拉伸性能，兼具高彈性極限與應變硬化能力。

　　基于上述原則，研究選擇傳統金屬材料中具有最高彈性模量的鋼，并具體到組織極細且穩定的珠光體鋼，來探討疲勞強度理論上限。研究通過冷拔工藝，消除弱取向片層，形成<110>織構，提升組織強度均勻性。研究通過固溶強化、加工硬化和晶界強化協同作用，實現2850 MPa超高彈性極限和3525 MPa超高抗拉強度。上述高強均勻組織，可抑制滑移帶應變局部化導致的疲勞開裂，獲得超高理論疲勞強度。研究通過超純凈冶煉和后續多道次拉拔，實現珠光體鋼絲夾雜物平均尺寸僅1.38 μm，降低應力集中。在現有冶煉水平下，夾雜物不可避免，因此通過優化拉拔工藝，使鋼絲在具有超高強度的同時仍保留一定應變硬化能力，從而降低夾雜物周圍組織應力集中程度。在強<110>織構的納米片層組織冷拔珠光體鋼絲中，研究提高了拉-拉疲勞強度及拉-拉比疲勞強度世界紀錄。

　　相關研究成果發表在《國家科學評論》（National Science Review）上。研究工作得到國家自然科學基金和中國科學院戰略性先導科技專項（C類）等的支持。

金屬材料抗疲勞設計“四原則”以及冷拔珠光體鋼絲疲勞強度突破世界紀錄

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