金屬研究所沈陽(yáng)材料科學(xué)國(guó)家（聯(lián)合）實(shí)驗(yàn)室材料疲勞與斷裂研究部工程材料疲勞研究組李守新研究員等人經(jīng)過(guò)10年的努力，在夾雜物對(duì)高強(qiáng)鋼超高周疲勞行為影響研究方面取得一定進(jìn)展。他們研究了彈簧鋼、軸承鋼等高強(qiáng)鋼在超高周疲勞（應(yīng)力循環(huán)次數(shù)一般在107-109周）條件下，非金屬夾雜物（主要是硬脆的氧化物夾雜等）的大小對(duì)疲勞強(qiáng)度、疲勞壽命以及S-N曲線（應(yīng)力-壽命曲線）的影響，以及氫含量對(duì)有關(guān)疲勞行為的影響。最近，李守新研究員應(yīng)邀發(fā)表了英文評(píng)述性論文（Effects of inclusions on the very high cycle fatigue properties of high strength steels, International Materials Reviews, 57(2012)92-114）。
科研人員首先對(duì)臨界夾雜尺寸進(jìn)行了研究。大尺寸夾雜對(duì)疲勞危害很大，而小尺寸夾雜對(duì)疲勞的危害很小，甚至對(duì)某些力學(xué)性能產(chǎn)生有益影響，對(duì)于臨界尺寸的了解和掌握有利于鋼材的質(zhì)量控制。因此對(duì)于一些高強(qiáng)鋼，在高周疲勞情況下（應(yīng)力循環(huán)次數(shù)一般在105-107周），夾雜物的臨界尺寸約在6-10微米。而在超高周疲勞情況下（應(yīng)力循環(huán)次數(shù)一般在107-109周），夾雜物的臨界尺寸約在3-5微米。另外，臨界夾雜尺寸隨強(qiáng)度提高趨向偏小的值。
研究發(fā)現(xiàn)，超高周疲勞強(qiáng)度 w 及疲勞壽命 Nf 隨夾雜物尺寸D增大而降低，其依賴關(guān)系可以分別表示為：
式中，n1～0.17-0.19, n2～4.3-8.4。
目前，一些商業(yè)用高強(qiáng)鋼疲勞斷口上導(dǎo)致疲勞開(kāi)裂的夾雜物尺寸平均約20微米，如果經(jīng)過(guò)改進(jìn)冶煉水平，相應(yīng)斷口上夾雜物尺寸平均減少一半，達(dá)到10微米左右，可以預(yù)期疲勞強(qiáng)度將提高10%，疲勞壽命提高100倍（表達(dá)式（1）中，用n1=0.17, n2=6.5 估計(jì)）。該預(yù)測(cè)也與實(shí)驗(yàn)結(jié)果比較符合，這也表明疲勞壽命對(duì)夾雜尺寸比較敏感。因此，對(duì)于高品質(zhì)的高強(qiáng)鋼，控制夾雜物尺寸對(duì)于提高抵抗疲勞破壞的可靠性非常重要。
科研人員還對(duì)高強(qiáng)鋼中不同氫含量以及不同夾雜物尺寸如何影響超高周疲勞性能開(kāi)展了研究工作。用 w 表示具有很低氫含量高強(qiáng)鋼的疲勞強(qiáng)度， *w 為已經(jīng)過(guò)充氫后高強(qiáng)鋼的疲勞強(qiáng)度， 為氫對(duì)疲勞的影響因子，即
經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)獲得 的表達(dá)式為：
式中，CH 為氫含量（ppm）。實(shí)驗(yàn)表明，氫含量在1ppm以上將顯著影響疲勞強(qiáng)度，氫含量在2ppm時(shí)疲勞強(qiáng)度可能下降到原來(lái)的70%。
科研人員還對(duì)夾雜物尺寸如何影響高強(qiáng)鋼S-N曲線的形狀以及高強(qiáng)鋼中夾雜物作為疲勞起源的機(jī)制開(kāi)展了深入研究。
由于疲勞斷口上疲勞起源處的夾雜往往是承擔(dān)最大應(yīng)力測(cè)試體積內(nèi)的最大夾雜，因此如果鋼中最大夾雜物尺寸和氫含量已知，就可以對(duì)其疲勞性能進(jìn)行預(yù)測(cè)和評(píng)估。而利用統(tǒng)計(jì)極值法和廣義泊雷托法可以根據(jù)金相試樣上觀察到的多個(gè)夾雜物尺寸，預(yù)測(cè)不同體積鋼中最大夾雜物的尺寸。
在973項(xiàng)目（G19980615/G2004CB619100）的支持下，研究組與鋼鐵研究總院開(kāi)展合作，獲得了比較系統(tǒng)的研究結(jié)果，發(fā)表了中文專(zhuān)著（高強(qiáng)鋼超高周疲勞性能-非金屬夾雜物的影響，冶金工業(yè)出版社，2010，北京）。
