背景简介

高锰孪生诱导塑性（TWIP）钢因其在塑性变形过程中发生的机械孪生而具有优异的强度与延展性，近年来引起广泛的关注。其低周疲劳行为表现为初始循环硬化后软化，晶粒细化可提升低周疲劳强度；高周疲劳强度与抗拉强度比值仅在0.4~0.5之间，循环变形以初始软化和后续硬化为特征，且高周疲劳中孪生对疲劳裂纹萌生抑制作用不显著。现有研究表明，表面处理（如铣削、深层滚压）可通过引入残余应力、加工硬化或晶粒细化提升疲劳寿命，但表面形貌的影响机制复杂：微缺口可能降低疲劳寿命，而压残余应力和近表面硬化则可能增强疲劳强度。然而，针对不同表面形貌（如轧制表皮、铣削表面）对TWIP钢高周疲劳的系统性研究较少，尤其是夹杂物作为裂纹萌生点的作用尚未明确。本研究旨在探究高锰TWIP钢1.7401 LY的表面形貌（轧制表皮、电解抛光、不同冷却条件下的铣削表面）对高周疲劳寿命的影响，通过表征表面形貌、近表面晶粒结构、相组成、残余应力和硬度梯度，分析其对循环变形行为和裂纹萌生的作用，为TWIP钢表面改性提供依据。

成果介绍

（1）表面形貌特征及其对疲劳性能的影响。图1显示了不同表面下粗糙度参数的比较，表面形貌的缩写如表1所示。轧制表面的最大轮廓高度（S_Z）和算术平均高度（S_a）显著高于铣削和抛光表面，而铣削表面（无论冷却方式）与抛光表面的S_Z相近，仅抛光表面在抛光后出现局部孔洞（深度≤2μm）。图2的相分析结果表明所有表面形貌均以奥氏体为主，仅轧制表面因酸洗含ε-马氏体，但未导致显著硬度偏差（图3）。图4为研究表面形貌在后续疲劳加载方向上的残余应力结果。铣削表面初始拉残余应力达180~570 MPa，但循环加载后快速饱和至160 MPa（<5% 疲劳寿命），与抛光表面和轧制表面的低残余应力状态趋同。上述结果表明表面改性对整体力学状态影响微弱。

图1 不同表面处理后试样的最大轮廓高度（S_Z）和算术平均高度（S_a）的比较

表1 不同表面形貌的缩写

图2 疲劳加载前2θ在40至100范围内的X射线衍射图，分别为a)上铣试样、b)下铣试样和c)轧制表皮及抛光参考试样

图3 使用纳米压痕在试样横截面测量的硬度随表面距离的变化，测量条件为：a) 使用常规金属加工液的上铣和下铣、使用常规金属加工液上铣后抛光以及轧制表皮；b) 上铣；c) 使用常规金属加工液、零下金属加工液和干冰的下铣

图4 所研究表面形貌在后续疲劳加载方向上的残余应力

（2）循环变形行为与疲劳寿命的机制关联。所有表面形貌的循环变形均遵循“初始软化→循环硬化”模式，高应力幅值（如σ_a=360 MPa）导致更大塑性应变幅值和更早失效，如图5所示。对图6的S-N曲线的分析结果表明铣削表面（无论冷却方式或上下铣）与抛光表面的疲劳寿命无统计学差异，寿命分散性主要由夹杂物分布而非表面处理导致。轧制表面的疲劳寿命略低于抛光表面，但与抛光表面中夹杂物引发裂纹的试样寿命接近，表明粗糙度的影响被缺陷效应覆盖。

图5 a)抛光试样在高周疲劳过程中塑性应变幅值的变化，以及b)相关的循环应力 - 应变曲线

图6 抛光试样、使用常规金属加工液、零下金属加工液和干冰的上铣及下铣试样，以及具有轧制表皮试样的应力-寿命（S-N）数据

（3）裂纹萌生机制与缺陷主导理论。如图7所示，抛光与铣削试样的裂纹均起源于非金属夹杂物（如氮化铝、钛化物），夹杂物中心距表面小于两倍等效直径的距离，部分夹杂物破裂导致裂纹扩展。轧制表面的裂纹直接源于表面粗糙度，无夹杂物参与，验证形貌应力集中的局部作用。通过夹杂物投影面积计算应力强度因子K_I,max，结果如图8所示。发现所有试样K_I,max >4.15 MPa√m，超过 TWIP 钢疲劳裂纹扩展阈值（ΔK_th = 5.9 MPa√m），说明缺陷尺寸主导疲劳强度，铣削表面未改变σ_a/σ_w比值分布，证实其未提升缺陷容限。

图7 在裂纹萌生位置检测到的非金属夹杂物示例：a）氮化铝（示例性标注了距表面的最大距离d_{s, max}；b）氧氮化铝；c）氮化钛；d）部分破裂且存在缺失碎片的氮化铝，以及从二次电子（SE）图像导出并示意性标注的初始投影面积

图8 σ_a/σ_w-N 数据：a）区分抛光和铣削表面形貌的结果；b）针对铣削表面试样在裂纹萌生位置的夹杂物类型分析

（4）表面形貌差异（如粗糙度、残余应力）未根本改变循环变形行为，疲劳寿命主要由夹杂物尺寸、类型及分布决定。铣削诱导的纳米晶层与硬化虽局部提升强度，但夹杂物引发的裂纹萌生机制占主导，最终导致不同表面处理的疲劳寿命趋同。这一发现为 TWIP 钢省去表面精加工提供了理论依据。

致谢

本研究由德国研究基金会 (DFG) 资助，项目编号为 172116086，资助编号为 SFB 926。感谢蒂森克虏伯霍恩林堡有限公司提供 TWIP 钢 1.7401。感谢德国凯泽斯劳滕-兰道铁路制造技术与生产系统研究所的 K. Gutzeit、B. Kirsch 和 JC Aurich，他们使用零下金属加工液和干冰制作了上下铣削试样。本文第一作者：Stefan Wolke（RPTU Kaiserslautern-Landau），本文通讯作者：Marek Smaga（RPTU Kaiserslautern-Landau）。

本期小编 郭子键（整理）

董乃健（校对）

    程　航  （审核）

董乃健（发布）