高強度鋼因其優異的力學性能和承受高載荷的能力，作為結構材料發揮著關鍵作用。在高強度鋼的眾多性能中，疲勞性能尤為重要，因其決定了材料在重復或循環載荷條件下的抗失效能力。為確保高強度鋼制成的結構部件安全可靠地運行，對其高周疲勞（HCF）性能的預測和評估至關重要。然而，高強度鋼在結構設計中面臨的一個顯著挑戰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應對這種不確定性，進而導致能源效率降低和材料消耗增加。因此，提高高強度鋼高周疲勞壽命的預測精度，在優化材料使用和結構設計效率方面具有巨大潛力。

【成果速覽】

本研究針對兩種熱處理狀態下含TiN夾雜物的AISI 52100高強度鋼的高周疲勞壽命分散性展開研究，發現：（1）TiN夾雜物取向的影響：夾雜物空間取向呈隨機分布，對循環應力下的開裂行為無顯著影響；所有試樣中TiN夾雜物的斷裂面均近似垂直于加載軸。（2）疲勞壽命預測模型：提出考慮TiN夾雜物開裂行為的疲勞壽命預測模型，將疲勞壽命預測誤差控制在實驗值的2.5倍以內。模型表明，夾雜物尺寸與形狀是影響疲勞壽命的關鍵因素——疲勞壽命較長的試樣中，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：研究結果為高強度鋼疲勞壽命預測提供了降低不確定性的策略，即通過控制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（如薄片化），可優化材料疲勞性能。TiN夾雜物的隨機取向不影響裂紋擴展方向，但其尺寸與形狀通過應力集中效應顯著調控疲勞壽命，新型模型通過納入夾雜物開裂機制提升了預測精度。此工作以「Modeling the effect of TiN inclusion on fatigue lives of high-strength steel」為題發表在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/中國科大）。

【創新點】• 氮化鈦夾雜物隨機取向，對疲勞開裂無顯著影響。 • 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裂壽命。 • 新的疲勞壽命模型通過考慮氮化鈦開裂降低了預測誤差。【數據概況】

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狀態和（b）T240狀態下的S-N曲線。AISI 52100鋼在（c-e）T160狀態和（f-h）T240狀態下的典型疲勞斷口。

圖3. AISI 52100鋼T160狀態下疲勞裂紋萌生處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. 不同模型所得結果的對比。Murakami模型：（a）T160狀態和（b） T240狀態。現有模型：（c）T160狀態和（d）T240狀態。

圖6. 本模型預測的TiN夾雜物尺寸和形狀對疲勞壽命的影響：（a）假設a=b=c時，疲勞壽命與TiN夾雜物尺寸的關系；（b）疲勞壽命與TiN夾雜物形狀相關參數a，b和c的關系；（c）兩個示例說明TiN夾雜物形狀對疲勞壽命第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。

【結論展望】

本研究在室溫下對兩種熱處理狀態的52100高強度鋼的疲勞性能進行了研究。利用SEM和EBSD對所有樣品疲勞斷口上的TiN夾雜物進行了細致觀察。基于TiN夾雜物主導的疲勞損傷機制，提出了一種考慮TiN夾雜物開裂的疲勞壽命預測模型。主要結論如下：

1) 對未疲勞材料進行的提取實驗證實，TiN夾雜物的實際形狀為矩形，超過90%的TiN夾雜物長徑比小于2。

2) 樣品中TiN夾雜物的空間取向呈隨機分布，對循環應力下的開裂行為無顯著影響。所有被檢測樣品顯示，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夾雜物開裂行為的疲勞壽命預測模型，最終將疲勞壽命的預測誤差從5倍以內降低至2.5倍以內。

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性、TiN夾雜物空間取向的影響、TiN夾雜物內部的晶體缺陷以及夾雜物形狀的不完整性等因素，本模型預測的疲勞壽命與實驗疲勞壽命之間仍存在誤差。