导读：根据钢材发展的趋势--普通化和高性能化，本文设计了一种具有超高机械性能和优异性价比的梯度纳米结构普通钢。这种多尺度设计是通过在经过淬火-分化-回火（Q-P-T）工艺的普通钢基体中使用表面机械研磨处理（SMAT）实现的。Q-P-T和SMAT 工艺的整合有效地实现了高机械性能基体的梯度表面纳米结晶。这种梯度纳米结构在晶粒细化的同时，还呈现出一种梯度压应力环境，可有效防止裂纹的形成和扩展。因此，在高循环（107）下可获得超高疲劳强度（高达820 兆帕），同时具有显著的性价比（1653.1兆帕-公斤/美元），是马氏体时效钢的14 倍。梯度纳米结构普通钢的多尺度设计不仅打破了耐久性与成本之间的权衡，还为高碳普通钢赋予显著的耐久性铺平了道路。

普通化、高强度和高延展性钢材一直是钢材发展的主要趋势，尤其是汽车行业。然而，强度的提高通常会带来延展性的降低，这就是所谓的强度-延展性权衡。综述表明，自 20 世纪以来，碳含量的增加提高了钢的强度，但同时也降低了延展性和其他性能。因此，通过增加低成本碳的含量来解决强度和延展性之间的权衡问题是研究人员一个世纪以来的追求。为了解决这一问题，研究人员在许多不同的方向上做出了巨大的努力，其中之一就是通过设计新型工艺实现高性能的高碳普碳钢。

在本研究中，我们通过巧妙的多尺度设计创建了梯度纳米结构，从而获得了具有超高疲劳强度和显著性价比的普通钢。通过 QPT-LE 模型优化普通钢的元素含量（高、中、低碳 Fe-Mn-Si-Nb）和 Q-P-T 工艺参数，构建了具有高机械性能的基体。此外，SMAT 还有效地实现了 Q-P-T 钢基体的表面梯度纳米结晶。这种结构可产生具有梯度压应力和晶粒细化的环境，从而有效防止裂纹的产生和扩展，并进一步提高疲劳强度。这种高碳普通钢中梯度纳米结构的多尺度设计突破了耐久性与成本之间的权衡，为高碳普通钢获得显著的疲劳性能铺平了道路。

22C-1.49Mn-1.52Si-0.035Nb（重量百分比）、Fe-0.42C-1.48Mn-1.51Si-0.034Nb（重量百分比）和Fe-0.69C-1.56Mn-1.51Si-0.052Nb（重量百分比）。根据 QPT-LE 模型模拟和大量实验，确定了 Q-P-T 工艺的优化参数，从而使三种碳含量钢的拉伸和疲劳性能达到最佳（图 S1a）。获得的 Q-P-T (L)、Q-P-T (M) 和 Q-P-T (H) 钢分别在 SMAT 设备中以 11.5 米/秒的初始速度用氧化锆颗粒（质量 = 20 克，直径 = 3 毫米）处理 10 分钟、20 分钟和 40 分钟（图 S1b）。圆形拉伸试样是按照 ASTM E8M 制备的。拉伸试样在室温下使用 Zwick/Roell Z100 万能试验机进行测试，应变速率为 0.5 毫米/分钟，拉伸计的量规长度为 30 毫米。疲劳试样按照 ASTM E466 标准制备。试样使用 QBWP-6000 简单支撑梁旋转弯曲疲劳试验机进行测试，应力比（R）为-1.0，转速为 5000 r/min。材料采用各种技术进行表征，方法的详细信息见补充材料。

该研究由上海交通大学陈乃录，左训伟和香港城大吕坚院士等人联合完成

相关研究成果以“Ultrahigh fatigue strength of gradient nanostructured plain steel”发表在Scripta Materialia上

链接：

https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S1359646224002781?via%3Dihub

图 1. 经 Q-P-T 和 SMAT 处理的低碳钢、中碳钢和

高碳钢的拉伸和疲劳性能，以及与其他金属材料的比较。(a) Q-P-T 钢和Q-P-T+SMAT 钢拉伸测试期间的工程应力-应变曲线。(b) Q-P-T 和Q-P-T+SMAT 钢的最大应力（应力比(R) =-1.0）与失效循环次数的关系曲线，橙色、红色和蓝色数据点分别代表Q-P-T(L)、Q-P-T(M)和Q-P-T(H)钢，实心数据点代表不同碳含量的Q-P-T+SMAT 钢，空心数据点代表Q-P-T 钢。(c) Q-P-T(H)钢和Q-P-T(H)+SMAT钢的PSE 与均匀伸长率，与其他高拉伸性能钢的比较, . (d) Q-P-T(H)钢和Q-P-T(H)+SMAT钢与其他工程钢相比的疲劳极限与每美元原材料成本的数量（千克）关系。

图 2. Q-P-T+SMAT 钢的梯度纳米结构。(a) 1（Q-P-T(L)）、2（Q-P-T(M)）、3（Q-P-T(H)）、4（Q-P-T(L)+SMAT）、5（Q-P-T(M)+SMAT）和6（Q-P-T(H)+SMAT）钢的高循环疲劳断口形貌的扫描电镜图像，包括裂纹起始点和裂纹扩展方向，以及相应的应力振幅和失效循环。(b)具有晶粒尺寸梯度分布的Q-P-T(H)+SMAT 钢的EBSD 方向图（正方形和矩形面分别对应试样表面和横截面）。

图 3. 纳米晶区、过渡区和基体区的 TEM 图像。(a)纳米马氏体的BF 和DF 图像以及插入的SAED 图形。(b)马氏体孪晶。(c)具有K-S 取向关系的位错型马氏体板条和RA。(d) NbC 碳化物，以及(e) η碳化物。

图 4. SMAT 后高碳 Q-P-T 钢拉伸和疲劳性能的增强机理。(a)高碳Q-P-T 钢拉伸和疲劳性能的增强机理，粉色和蓝色块分别代表马氏体和奥氏体，颜色越浅碳含量越低。(b) Q-P-T(H)钢通过SMAT 与马氏体时效钢的显微组织比较。在SMAT 之后，高碳Q-P-T 钢的马氏体晶粒呈梯度分布，并析出碳化物，同时伴有压应力；而马氏体时效钢则呈现均匀的马氏体和奥氏体分布，并析出碳化物和Ni3Ti。

图 5. QPT-LE 模型模拟结果，分区过程中碳含量随位置的变化：（a）马氏体和（b）奥氏体。(a)中的阴影区域表示碳化物在马氏体左侧形成。(c)使用逐层XLPA 测量计算的马氏体（黑色）和奥氏体（红色）位错密度与表面不同深度的关系。(d)通过XRD方法测量的残余应力、与2θ曲线和经过 Q-P-T 和 Q-P-T+SMAT 处理的低碳钢、中碳钢和高碳钢的拟合线。的斜率与2θ曲线的斜率通过线性拟合得到，表面残余应力可通过插入式计算得出，上半部分代表压应力，下半部分代表拉应力。

总之，我们以具有优异拉伸性能（PSE：48 GPa%）的高碳Q-P-T 普通钢为基础，通过SMAT 工艺开发了梯度纳米结构，并获得了高循环（107）下的疲劳强度极限（820 兆帕）。就疲劳性能而言，这一卓越的性价比（1653.1 兆帕 kg/美元）是 18Ni 马氏体时效钢（115.2 兆帕 kg/美元）的 14 倍。Q-P-T 工艺导致马氏体软化和 DAMAI 效应产生的 RA 硬化，实现了强度和延展性的同步提高。以高碳 Q-P-T 普通钢为基体，SMAT 创建了梯度纳米结构，这种结构可产生具有梯度压应力和更多晶界的微环境，阻止裂纹的萌生和扩展，从而显著改善疲劳性能。梯度纳米结构普通钢的多尺度设计不仅突破了耐久性与成本之间的权衡，而且还为高碳普通钢赋予显著的耐久性铺平了道路。