破解“应力陷阱”之谜

2025-07-25 15:00:02 作者：本网发布来源：材料学报分享至：

在机械工程领域，金属疲劳就像材料界的“慢性病”——零件在反复受力下逐渐产生裂纹，最终导致突然断裂。这种失效往往发生在材料看似完好的情况下，因此提高疲劳强度是保障工程安全的关键。

近期，中国科学院金属研究所张哲峰研究员团队与李殿中院士团队合作，在轴承钢抗疲劳性能优化领域取得重大突破，为解决这个百年难题开辟了新思路。该成果发表于《Acta Materialia》和《JMST》，构建了“夹杂物控制-强韧匹配-界面优化”系统理论框架，为航空航天、轨道交通等高端轴承材料研发开辟新路径。

那么，这项研究都破解了哪些难题呢？让我们一起来了解一下吧。

1 破解“应力陷阱”之谜

针对高强钢疲劳强度长期受限于夹杂物应力集中的难题，团队系统揭示了夹杂物对疲劳寿命影响的机理，发现Al₂O₃的疲劳损伤系数比TiN高30%，为冶炼过程氮氧精准控制提供理论依据。

金属材料中的夹杂物就像“微型应力放大器”，研究团队发现，同样尺寸下：Al₂O₃夹杂物（氧化铝）的应力集中效应比TiN（氮化钛）高30%。相当于在材料内部埋藏了不同“锐度”的微型刀片。这解释了为何要精准控制钢中的氮、氧元素含量：减少夹杂物生成相当于钝化材料内部的“隐形刀刃”。

2 建立“疲劳安全警戒线”

团队创新提出“疲劳开裂临界夹杂物尺寸判据”，建立抗拉强度、断裂韧性与夹杂物尺寸的定量关系，实现强韧协同优化。通过稀土改性技术显著降低夹杂物尺寸并提升界面变形能力，结合热处理优化，成功将GCr15轴承钢拉-拉、拉-压疲劳强度分别提升至1600MPa和1103MPa。而1600MPa约等于160000米水深作用在一平方米面积上的压力；1103MPa相当于珠峰底座承受的压力。这两项较现有疲劳强度世界纪录分别提高4%和10%，实现了疲劳性能飞跃。

这就像建筑抗震设计：既需要钢筋强度，又需要混凝土韧性，二者需精确平衡。

3 稀土改性的“界面革命”

通过添加稀土元素实现了三重突破：

1. 夹杂物瘦身：平均尺寸缩小约40%。

2. 界面柔韧化：形成可变形界面层（类似橡胶垫片）。

3.应力缓冲：使局部应力集中降低约25%。

这相当于给每个微小缺陷穿上了“缓冲防护服”。

据介绍，这项突破不仅改写了高强钢的疲劳强度极限，更建立了“缺陷控制-界面设计-性能优化”的系统方法论，为高铁轴承、航空发动机等关键部件的自主研制提供了材料基础。未来，这种“材料基因编辑”技术有望推广到更多合金体系，推动中国高端装备制造进入“超长待机”时代。

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