疲劳强度相比于屈服、抗拉、抗弯、剪切等强度而言有时候往往会被人忽略，相比之其他强度所代表的失效形式，疲劳失效要出现的更加隐秘，更加难以预测。大多结构件在实际服役期间都难以避免受到周期性的应力，因此疲劳强度是结构件长期服役稳定性的制约因素之一。尽管现阶段已有大量高强合金的抗拉强度已超过3GPa，达到了极高的水平，但其疲劳强度长期徘徊在1GPa以下难以突破。对于轴承钢而言，非金属夹杂物是疲劳裂纹的主要萌生源，其脆性开裂或界面分离会显著降低疲劳寿命。

近日中科院金属所的研究团队联合美国加州大学伯克利分校的Robert O. Ritchie教授，成功地在高碳铬轴承钢GCr15中实现了1130MPa的疲劳强度，刷新了钢材的最高疲劳强度纪录，目前这一突破性成果已在材料领域国际期刊《Acta Materialia》上在线发表，题为“The highest fatigue strength for steels”，在该论文中团队阐述了如何在高碳铬轴承钢GCr15中，通过精确调控微观结构与缺陷，突破疲劳强度极限，为高强钢在极端服役条件下的应用提供了新思路。论文的通讯作者为中科院金属所的张鹏研究员、李殿中院士、张哲峰研究员和美国加州大学伯克利分校Robert O. Ritchie教授。

 

 

文章链接：

https://doi.org/10.1016/j.actamat.2025.120888

【核心内容】

该研究以GCr15轴承钢为研究对象，通过添加微量稀土元素提升夹杂物塑性，避免其脆性断裂，同时构建了可剪切的夹杂物与基体界面结构，增强协同变形能力，并调整热处理工艺，实现抗拉强度与塑性的协同优化和降低夹杂物处疲劳开裂风险。在应力比 R=-1 的拉压载荷条件下，该GCr15轴承钢在10⁷循环下的疲劳极限达到1103MPa。研究通过有限元模拟，验证了夹杂物的尺寸、类型等因素对应力集中的影响，所提出的技术策略依托现有工业技术即可实现，为其他高强度金属材料疲劳性能的优化提供了切实可行的方案

疲劳性能对比与优化结果

【研究方法】

该研究通过真空熔炼掺杂稀土元素，将掺杂稀土元素制备的钢材命名为RER钢，并以传统的电渣重熔工艺制备的GER钢作为对照组。试样在850℃下奥氏体化30min后进行油淬火，随后分别在不同温度下回火2h后进行机械加工和抛光，用以表征夹杂物的形貌特征及其与基体的界面结合情况，并通过拉伸实验和R=−1的拉伸-压缩高周疲劳实验评估材料的力学性能。

拉伸（上）和高周疲劳（下）实验的试样尺寸

【研究成果】

① 夹杂物类型及结构显著改善

在RES钢中，夹杂物中出现了稀土复合氧硫化物（RE₂O₂S），该夹杂物表现出软硬协同的结构，且界面出现了稀土修饰层（REDL），而在GER钢中，其夹杂物主要为脆性的Al₂O₃和TiN，在变形时易率先开裂成为疲劳裂纹源。

疲劳断裂源区SEM形貌与夹杂物EDS分析

夹杂物内部STEM微观结构表征

基体-夹杂物界面原子尺度分析

界面几何必需位错密度分布

② 控制夹杂尺寸与形貌，降低应力集中

Al₂O₃与TiN受本身的脆性属性限制，易造成应力集中，同时，它们倾向于在界面处形成，一旦开裂就有可能引发连锁反应，使疲劳裂纹迅速发展，严重降低了钢材对疲劳环境的抗性。而稀土复合夹杂物主要分布在基体中，不易在界面造成应力集中引发裂纹，此外，RES钢中夹杂物整体尺寸更小（≤5μm），数量也显著减少，进一步减少了应力集中的概率。

夹杂物三维形貌与尺寸分布统计

夹杂物应力集中有限元模拟

③ 热处理调控组织，实现强度与塑性的协同

通过回火温度的调控（160-500℃），团队研究发现在240℃回火时钢材内部保留的残余奥氏体含量大幅减少，回火马氏体与碳化物的协同作用提升了均匀延伸率，最终在RES-T240钢中实现了1103MPa的疲劳强度，刷新了以往的纪录。

不同回火温度下的TEM组织演变

力学性能与相组成关联分析

【总结与展望】

在这项研究中，将钢的疲劳强度极限突破至1103MPa，为其他高强金属材料的疲劳优化提供了可行范式，且该策略可依托于成熟的工业工艺实现，因此有较大的工业可推广性，具备广阔的工程应用前景，尤其在航空航天、高速铁路和精密轴承领域意义重大。