提高金屬材料疲勞強度是工程構件安全服役的重要保障。作為目前已知疲勞強度最高的金屬結構材料，高強鋼的拉伸強度已突破3GPa，但其拉-壓疲勞強度未能突破1GPa瓶頸。
中國科學院金屬研究所研究員張哲峰團隊與中國科學院院士李殿中團隊合作，在GCr15軸承鋼疲勞開裂模型與性能優化研究方面取得進展。該研究建立了夾雜物-強韌性協同調控理論，并采用稀土改性技術，將軸承鋼的拉-拉疲勞強度、拉-壓疲勞強度提升至新水平。
該研究分析了GCr15軸承鋼中TiN和Al2O3兩類夾雜物的疲勞開裂行為和疲勞壽命，揭示了兩類夾雜物類型對疲勞壽命影響的本質在于它們的應力集中效應不同。定量模擬分析發現，在相同尺寸條件下，Al2O3夾雜物的疲勞壽命損傷系數較TiN高約30%。這為高強鋼冶煉過程中氮元素和氧元素的精準控制提供了理論依據。
針對高強度狀態下夾雜物開裂導致疲勞強度下降難題，該研究提出了疲勞開裂臨界夾雜物尺寸判據，建立了高強鋼疲勞開裂時抗拉強度、斷裂韌性與夾雜物尺寸之間定量關系，實現了在給定夾雜物參數條件下高強鋼強韌性能協同優化抗疲勞的目標，為高強鋼疲勞強度優化設計與制造提供了新的理論判據。
進一步，該研究對GCr15軸承鋼進行稀土添加改性，降低了夾雜物尺寸，提升了夾雜物在疲勞載荷下的變形能力，形成了可剪切變形的夾雜物-基體界面，從而降低了夾雜物引起的應力集中程度。在夾雜物控制基礎上，研究結合疲勞強度優化判據，將其熱處理調至最優狀態，獲得了拉-拉疲勞強度1600MPa，拉-壓疲勞強度1103MPa的抗疲勞高強鋼，分別比現有拉-拉疲勞強度和拉-壓疲勞強度世界紀錄提高4%和10%。
該研究建立了夾雜物控制-強韌性能匹配-缺陷界面優化的系統性抗疲勞理論框架，為航空航天、軌道交通等領域的高端軸承材料研發提供了新技術路線。
近期，相關研究成果分別發表在《材料學報》（Acta Materialia）和《材料科學與技術雜志》（Journal of Materials Science & Technology）上。研究工作得到國家自然科學基金、國家重點研發計劃、中國科學院戰略性先導科技專項的支持。
夾雜物疲勞開裂判據
高強鋼疲勞強度突破：（a）拉-拉疲勞強度、（b）拉-壓疲勞強度
