摘要：高强度钢因其优异的力学性能和承受高载荷的能力，作为结构材料发挥着关键作用。在高强度钢的众多性能中，疲劳性能尤为重要，因其决定了材料在重复或循环载荷条件下的抗失效能力。为确保高强度钢制成的结构部件安全可靠地运行，对其高周疲劳（HCF）性能的预测和评估至关重要。然

高强度钢因其优异的力学性能和承受高载荷的能力，作为结构材料发挥着关键作用。在高强度钢的众多性能中，疲劳性能尤为重要，因其决定了材料在重复或循环载荷条件下的抗失效能力。为确保高强度钢制成的结构部件安全可靠地运行，对其高周疲劳（HCF）性能的预测和评估至关重要。然而，高强度钢在结构设计中面临的一个显著挑战是其疲劳寿命的固有分散性，这需要引入较大的安全裕度来应对这种不确定性，进而导致能源效率降低和材料消耗增加。因此，提高高强度钢高周疲劳寿命的预测精度，在优化材料使用和最大化结构设计效率方面具有巨大潜力。

本研究针对两种热处理状态下含TiN夹杂物的AISI 52100高强度钢的高周疲劳寿命分散性展开研究，发现：

（1）TiN夹杂物取向的影响：夹杂物空间取向呈随机分布，对循环应力下的开裂行为无显著影响；所有试样中TiN夹杂物的断裂面均近似垂直于加载轴。

（2）疲劳寿命预测模型：提出考虑TiN夹杂物开裂行为的疲劳寿命预测模型，将疲劳寿命预测误差控制在实验值的2.5倍以内。模型表明，夹杂物尺寸与形状是影响疲劳寿命的关键因素——疲劳寿命较长的试样中，TiN夹杂物垂直于加载方向的截面积较小，或平行于加载方向呈薄片状。

（3）工程启示：研究结果为高强度钢疲劳寿命预测提供了降低不确定性的策略，即通过控制TiN夹杂物的尺寸（尤其是垂直于载荷方向的截面积）和几何形态（如薄片化），可优化材料疲劳性能。

TiN夹杂物的随机取向不影响裂纹扩展方向，但其尺寸与形状通过应力集中效应显著调控疲劳寿命，新型模型通过纳入夹杂物开裂机制提升了预测精度。

此工作以「Modeling the effect of TiN inclusion on fatigue lives of high-strength steel」为题发表在International Journal of Fatigue上，第一作者：Zikuan Xu（金属所），共同通讯：张哲峰、张鹏（中科院金属所/中国科大）。

图1. 失效后TiN取向及断裂面的表征：（a）矩形和（b）不完整矩形TiN在0°倾斜角下的断口形貌；（c）矩形和（d）不完整矩形TiN在70°倾斜角下的断口形貌；（e）电子背散射衍射（EBSD）探测器示意图；（f）疲劳裂纹萌生处TiN的扫描电子显微镜（SEM）图像（左下角嵌入晶界）。

图2. AISI 52100钢在（a）T160状态和（b）T240状态下的S-N曲线。AISI 52100钢在（c-e）T160状态和（f-h）T240状态下的典型疲劳断口。

图3. AISI 52100钢T160状态下疲劳裂纹萌生处TiN夹杂物的SEM图像：(a) 示意图；(b-p) 1#至15#试样的断口图像。

图4. AISI 52100钢T240状态下疲劳裂纹萌生处TiN夹杂物的SEM图像：(a-p)为1#至16#试样的断口图像。

图5. 不同模型所得结果的对比。Murakami模型：（a）T160状态和（b） T240状态。现有模型：（c）T160状态和（d）T240状态。

图6. 本模型预测的TiN夹杂物尺寸和形状对疲劳寿命的影响：（a）假设a=b=c时，疲劳寿命与TiN夹杂物尺寸的关系；（b）疲劳寿命与TiN夹杂物形状相关参数a，b和c的关系；（c）两个示例说明TiN夹杂物形状对疲劳寿命第I阶段和第II阶段的影响；（d）不同疲劳寿命的TiN夹杂物示意图。

本研究在室温下对两种热处理状态的52100高强度钢的疲劳性能进行了研究。利用SEM和EBSD对所有样品疲劳断口上的TiN夹杂物进行了细致观察。基于TiN夹杂物主导的疲劳损伤机制，提出了一种考虑TiN夹杂物开裂的疲劳寿命预测模型。主要结论如下：

1) 对未疲劳材料进行的提取实验证实，TiN夹杂物的实际形状为矩形，超过90%的TiN夹杂物长径比小于2。

2) 样品中TiN夹杂物的空间取向呈随机分布，对循环应力下的开裂行为无显著影响。所有被检测样品显示，TiN夹杂物的断裂面几乎垂直于加载轴。

3) 提出了一种考虑TiN夹杂物开裂行为的疲劳寿命预测模型，最终将疲劳寿命的预测误差从5倍以内降低至2.5倍以内。

4) TiN夹杂物的尺寸和形状显著影响样品的疲劳寿命。疲劳寿命较长的样品中，TiN夹杂物要么垂直于加载方向的截面积较小，要么平行于加载方向呈薄片状。

5) 由于未考虑显微组织的随机性、TiN夹杂物空间取向的影响、TiN夹杂物内部的晶体缺陷以及夹杂物形状的不完整性等因素，本模型预测的疲劳寿命与实验疲劳寿命之间仍存在误差。

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来源：凯视迈精密测量