夹杂物对高强钢超高周疲劳行为影响研究获进展

从沈阳材料科学国家（联合）实验室获悉，该实验室材料疲劳与断裂研究部研究员李守新等人通过试验证实，对一些商业用高强钢，通过改进冶炼水平，将夹杂物平均尺寸减小一半，可使其疲劳寿命提高100倍，疲劳强度提高10％，从而系统揭示了夹杂物对高强钢超高周疲劳行为的影响机制。相关成果日前发表在《国际材料评论》期刊上。材料断裂破坏常突然发生，并容易导致灾难性的设备事故和人身事故。因此，断裂破坏一直为工程界所重视。在机械的断裂事故中，绝大部分是由钢的疲劳引起。而统计表明，高强钢超高周疲劳断裂绝大多数是由内部缺陷特别是夹杂物引起的。因此，对于航空、航天、汽车、高速列车、轮船和核电等工业中的一些承受超高周载荷的重要结构件高强钢而言，了解其疲劳性能意义重大。李守新等通过研究证实，弹簧钢、轴承钢等高强钢在超高周疲劳（应力循环次数一般在107～109周）条件下，大尺寸夹杂对疲劳危害很大，而小尺寸夹杂对疲劳的危害很小，甚至对某些力学性能产生有益影响。对于一些高强钢，在高周疲劳情况下（应力循环次数105～107周），夹杂物的临界尺寸约在6～10μｍ，而在超高周疲劳情况下，夹杂物的临界尺寸约在3～5μｍ。研究还表明，临界夹杂尺寸随强度的提高而趋向偏小的值316L不锈钢管。此外，研究还发现氢的质量分数在1×10-6以上将显著降低高强钢的疲劳强度，氢的质量分数在2×10-6时疲劳强度可能下降到原来的70％，并从数学上确定了氢对疲劳强度的影响因子。研究人员表示，利用相关科学方法可以根据金相试样上观察到的多个夹杂物尺寸，预测不同体积钢中最大夹杂物的尺寸，再结合高强钢中的氢含量，就可以对高强钢的疲劳性能进行评估，这在工业应用上具有重要意义。