高強(qiáng)度鋼因其優(yōu)異的力學(xué)性能和承受高載荷的能力，作為結(jié)構(gòu)材料發(fā)揮著關(guān)鍵作用。在高強(qiáng)度鋼的眾多性能中，疲勞性能尤為重要，因其決定了材料在重復(fù)或循環(huán)載荷條件下的抗失效能力。為確保高強(qiáng)度鋼制成的結(jié)構(gòu)部件安全可靠地運(yùn)行，對(duì)其高周疲勞（HCF）性能的預(yù)測(cè)和評(píng)估至關(guān)重要。然而，高強(qiáng)度鋼在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中面臨的一個(gè)顯著挑戰(zhàn)是其疲勞壽命的固有分散性，這需要引入較大的安全裕度來(lái)應(yīng)對(duì)這種不確定性，進(jìn)而導(dǎo)致能源效率降低和材料消耗增加。因此，提高高強(qiáng)度鋼高周疲勞壽命的預(yù)測(cè)精度，在優(yōu)化材料使用和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)效率方面具有巨大潛力。

【成果速覽】

本研究針對(duì)兩種熱處理狀態(tài)下含TiN夾雜物的AISI 52100高強(qiáng)度鋼的高周疲勞壽命分散性展開(kāi)研究，發(fā)現(xiàn)：（1）TiN夾雜物取向的影響：夾雜物空間取向呈隨機(jī)分布，對(duì)循環(huán)應(yīng)力下的開(kāi)裂行為無(wú)顯著影響；所有試樣中TiN夾雜物的斷裂面均近似垂直于加載軸。（2）疲勞壽命預(yù)測(cè)模型：提出考慮TiN夾雜物開(kāi)裂行為的疲勞壽命預(yù)測(cè)模型，將疲勞壽命預(yù)測(cè)誤差控制在實(shí)驗(yàn)值的2.5倍以?xún)?nèi)。模型表明，夾雜物尺寸與形狀是影響疲勞壽命的關(guān)鍵因素——疲勞壽命較長(zhǎng)的試樣中，TiN夾雜物垂直于加載方向的截面積較小，或平行于加載方向呈薄片狀。（3）工程啟示：研究結(jié)果為高強(qiáng)度鋼疲勞壽命預(yù)測(cè)提供了降低不確定性的策略，即通過(guò)控制TiN夾雜物的尺寸（尤其是垂直于載荷方向的截面積）和幾何形態(tài)（如薄片化），可優(yōu)化材料疲勞性能。TiN夾雜物的隨機(jī)取向不影響裂紋擴(kuò)展方向，但其尺寸與形狀通過(guò)應(yīng)力集中效應(yīng)顯著調(diào)控疲勞壽命，新型模型通過(guò)納入夾雜物開(kāi)裂機(jī)制提升了預(yù)測(cè)精度。此工作以「Modeling the effect of TiN inclusion on fatigue lives of high-strength steel」為題發(fā)表在International Journal of Fatigue上，第一作者：Zikuan Xu（金屬所），共同通訊：張哲峰、張鵬（中科院金屬所/中國(guó)科大）。

【創(chuàng)新點(diǎn)】• 氮化鈦夾雜物隨機(jī)取向，對(duì)疲勞開(kāi)裂無(wú)顯著影響。 • 氮化鈦夾雜物的尺寸和形狀顯著影響試樣的疲勞壽命。 • 新模型額外考慮了氮化鈦夾雜物自身的疲勞開(kāi)裂壽命。 • 新的疲勞壽命模型通過(guò)考慮氮化鈦開(kāi)裂降低了預(yù)測(cè)誤差。【數(shù)據(jù)概況】

圖1. 失效后TiN取向及斷裂面的表征：（a）矩形和（b）不完整矩形TiN在0°傾斜角下的斷口形貌；（c）矩形和（d）不完整矩形TiN在70°傾斜角下的斷口形貌；（e）電子背散射衍射（EBSD）探測(cè)器示意圖；（f）疲勞裂紋萌生處TiN的掃描電子顯微鏡（SEM）圖像（左下角嵌入晶界）。

圖2. AISI 52100鋼在（a）T160狀態(tài)和（b）T240狀態(tài)下的S-N曲線(xiàn)。AISI 52100鋼在（c-e）T160狀態(tài)和（f-h）T240狀態(tài)下的典型疲勞斷口。

圖3. AISI 52100鋼T160狀態(tài)下疲勞裂紋萌生處TiN夾雜物的SEM圖像：(a) 示意圖；(b-p) 1#至15#試樣的斷口圖像。

圖4. AISI 52100鋼T240狀態(tài)下疲勞裂紋萌生處TiN夾雜物的SEM圖像：(a-p)為1#至16#試樣的斷口圖像。

圖5. 不同模型所得結(jié)果的對(duì)比。Murakami模型：（a）T160狀態(tài)和（b） T240狀態(tài)。現(xiàn)有模型：（c）T160狀態(tài)和（d）T240狀態(tài)。

圖6. 本模型預(yù)測(cè)的TiN夾雜物尺寸和形狀對(duì)疲勞壽命的影響：（a）假設(shè)a=b=c時(shí)，疲勞壽命與TiN夾雜物尺寸的關(guān)系；（b）疲勞壽命與TiN夾雜物形狀相關(guān)參數(shù)a，b和c的關(guān)系；（c）兩個(gè)示例說(shuō)明TiN夾雜物形狀對(duì)疲勞壽命第I階段和第II階段的影響；（d）不同疲勞壽命的TiN夾雜物示意圖。

【結(jié)論展望】

本研究在室溫下對(duì)兩種熱處理狀態(tài)的52100高強(qiáng)度鋼的疲勞性能進(jìn)行了研究。利用SEM和EBSD對(duì)所有樣品疲勞斷口上的TiN夾雜物進(jìn)行了細(xì)致觀(guān)察。基于TiN夾雜物主導(dǎo)的疲勞損傷機(jī)制，提出了一種考慮TiN夾雜物開(kāi)裂的疲勞壽命預(yù)測(cè)模型。主要結(jié)論如下：

1) 對(duì)未疲勞材料進(jìn)行的提取實(shí)驗(yàn)證實(shí)，TiN夾雜物的實(shí)際形狀為矩形，超過(guò)90%的TiN夾雜物長(zhǎng)徑比小于2。

2) 樣品中TiN夾雜物的空間取向呈隨機(jī)分布，對(duì)循環(huán)應(yīng)力下的開(kāi)裂行為無(wú)顯著影響。所有被檢測(cè)樣品顯示，TiN夾雜物的斷裂面幾乎垂直于加載軸。

3) 提出了一種考慮TiN夾雜物開(kāi)裂行為的疲勞壽命預(yù)測(cè)模型，最終將疲勞壽命的預(yù)測(cè)誤差從5倍以?xún)?nèi)降低至2.5倍以?xún)?nèi)。

4) TiN夾雜物的尺寸和形狀顯著影響樣品的疲勞壽命。疲勞壽命較長(zhǎng)的樣品中，TiN夾雜物要么垂直于加載方向的截面積較小，要么平行于加載方向呈薄片狀。

5) 由于未考慮顯微組織的隨機(jī)性、TiN夾雜物空間取向的影響、TiN夾雜物內(nèi)部的晶體缺陷以及夾雜物形狀的不完整性等因素，本模型預(yù)測(cè)的疲勞壽命與實(shí)驗(yàn)疲勞壽命之間仍存在誤差。