金属材料疲劳强度理论极限研究获进展

中国科学院
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疲劳强度是影响材料及构件可靠性的关键指标之一。提高材料疲劳强度,可以提高工程构件长期服役可靠性,有助于实现构件轻量化,能够提高能源利用效率。zMC速刷资讯——探索最新科技、每天知道多一点SUSHUAPOS.COM

前期,中国科学院金属研究所研究员张哲峰团队等,将GCr15轴承钢拉-拉疲劳强度提高到1600 MPa,拉-压疲劳强度提高到1103 MPa,制备出具有超高比疲劳强度的近无微孔3D打印钛合金,突破了拉-拉比疲劳强度世界纪录。但是,探究材料疲劳强度的提升空间及优化原则,仍是疲劳领域的关键科学问题。zMC速刷资讯——探索最新科技、每天知道多一点SUSHUAPOS.COM

近日,该团队报道关于金属材料疲劳强度理论上限的成果,提出金属材料抗疲劳设计“四原则”,并在冷拔珠光体钢丝中实现当前最高的拉-拉疲劳强度(2017 MPa),将现有材料拉-拉疲劳强度世界纪录(1600MPa)提高26%。zMC速刷资讯——探索最新科技、每天知道多一点SUSHUAPOS.COM

研究从提高金属材料疲劳强度理论上限出发,提出抗疲劳设计“四原则”——高弹性模量,决定理论强度上限;“细稳匀”组织,保证无显著强度弱区;极小尺寸夹杂/缺陷,降低局部应力集中;最优拉伸性能,兼具高弹性极限与应变硬化能力。zMC速刷资讯——探索最新科技、每天知道多一点SUSHUAPOS.COM

基于上述原则,研究选择传统金属材料中具有最高弹性模量的钢,并具体到组织极细且稳定的珠光体钢,来探讨疲劳强度理论上限。研究通过冷拔工艺,消除弱取向片层,形成<110>织构,提升组织强度均匀性。研究通过固溶强化、加工硬化和晶界强化协同作用,实现2850 MPa超高弹性极限和3525 MPa超高抗拉强度。上述高强均匀组织,可抑制滑移带应变局部化导致的疲劳开裂,获得超高理论疲劳强度。研究通过超纯净冶炼和后续多道次拉拔,实现珠光体钢丝夹杂物平均尺寸仅1.38 μm,降低应力集中。在现有冶炼水平下,夹杂物不可避免,因此通过优化拉拔工艺,使钢丝在具有超高强度的同时仍保留一定应变硬化能力,从而降低夹杂物周围组织应力集中程度。在强<110>织构的纳米片层组织冷拔珠光体钢丝中,研究提高了拉-拉疲劳强度及拉-拉比疲劳强度世界纪录。zMC速刷资讯——探索最新科技、每天知道多一点SUSHUAPOS.COM

相关研究成果发表在《国家科学评论》(National Science Review)上。研究工作得到国家自然科学基金和中国科学院战略性先导科技专项(C类)等的支持。zMC速刷资讯——探索最新科技、每天知道多一点SUSHUAPOS.COM

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金属材料抗疲劳设计“四原则”以及冷拔珠光体钢丝疲劳强度突破世界纪录zMC速刷资讯——探索最新科技、每天知道多一点SUSHUAPOS.COM

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