引文格式：

背景简介

在许多工业应用中，滚子轴承钢100Cr6滚子轴承钢100Cr6及其改性钢通常以含有多达10%体积分数的残余奥氏体的马氏体状态使用。然而，奥氏体相会由于热载荷或机械载荷而转变为α'-马氏体，这种广泛的相变导致体积膨胀从而使得尺寸发生变化。但也有研究表明，如果局部发生变形，这种局部变形诱导的相变通过抑制缺陷处疲劳裂纹的萌生和扩展，可以使得材料的缺陷容限显著增加。因此，残余奥氏体的含量应在增强缺陷容限与避免材料临界尺寸变化之间取得平衡。一些学者发现Si和Al的添加有助于提高残余奥氏体的热稳定性和机械稳定性，然而高含量的Al也可能导致更多氧化物和夹杂物的形成，从而降低材料的纯度，而Si有助于提高纯度。在此基础上，本研究分析了三种添加Si或Al的改性100Cr6钢的疲劳行为和缺陷容限，进行了高周疲劳试验（HCF）及超高周疲劳试验（VHCF），并且在室温（AT）和T = 100°C的高温下进行了疲劳试验并分析了变形诱导相变的影响。

成果介绍

（1）在AT下进行的疲劳试验结果如图1a所示，结果表明在HCF范围内改性合金的疲劳强度普遍低于商用100CrMnSi6-4合金，1.5Al-100Cr6显示出最低的HCF强度。而在VHCF范围，1.5Al-100Cr6也表现出最小的疲劳强度，但与其他合金的差异比HCF范围下更明显，但是1.5Si-100Cr6合金显示出与商用100CrMnSi6-4合金相似的疲劳寿命。每个试样都是基于缺陷而产生的失效，并确定了导致裂纹萌生的缺陷的大小，如图1b所示。通过比较不同类型钢之间裂纹萌生的缺陷大小，发现商用100CrMnSi6-4的缺陷明显小于两种实验室改性的钢。因此，为了评估不同材料的疲劳行为，使用sqrt(area)方法考虑了基于缺陷的失效，如图2所示。结果表明在VHCF范围，1.5Si-100Cr6显示出更高的缺陷容限，这与在硅合金钢中观察到的残余奥氏体分布更细相对应，导致裂纹萌生位置附近残余奥氏体存在的可能性更高。

图1 a）S-N_f曲线和b）在AT下对所研究合金进行疲劳测试后导致裂纹萌生的缺陷尺寸分布

图2 三种合金在HCF和VHCF状态下在AT获得的σ_a/σ_w-N_f曲线

（2）由于不同材料在残余奥氏体的分布上表现出差异，因此通过在T = 100 °C的高温下进行相同的疲劳试验，更详细地分析了变形诱导的奥氏体-α'-马氏体相变的影响。如图3所示，1.5Si-100Cr6在HCF和VHCF范围内的疲劳强度有所降低，这是由于高温增加了奥氏体的稳定性，抑制了相变。相反，100CrMnSi6-4在HCF范围的疲劳行为受温度影响很小，而在VHCF范围，在T = 100 °C时观察到疲劳强度显著降低。与其他合金相比，1.5Al-100Cr6在HCF和VHCF范围都没有表现出升高的测试温度对疲劳寿命的任何影响。同样采用了sqrt(area)方法考虑了基于缺陷的失效，如图4所示，发现由于温度升高1.5Si-100Cr6合金在两种测试频率的缺陷容限均有所降低。对于商用100CrMnSi6-4，在S-N_f曲线中获得的结果也得到了证实。此外，1.5Al-100Cr6没有显示出温度升高对σ_a/σ_w-N_f曲线的影响，这也对应于S-N_f曲线中的结果。

图3 AT和T = 100 °C下获得的不同材料的S-N_f曲线之间的比较

图4 在AT和T = 100 °C下获得的σ_a/σ_w-N_f曲线的比较

（3）综上所述，所有材料的疲劳寿命都表现出相对较低的分散性，这在VHCF范围对于这种高强度钢来说并不典型。这种低分散性主要归因于残余奥氏体含量高，具有相对较高的塑性变形性，并且在材料体积中分布相当均匀。与Si改性合金相比，1.5Al-100Cr6中的残余奥氏体区域更大，分布更不均匀，这导致在裂纹萌生点附近存在奥氏体相的可能性较低。因此，在1.5Al-100Cr6中，由于塑性变形能力的增加和奥氏体相的变形诱导相变而导致的缺陷容限的提高并不明显。而对于Si改性合金和商用100CrMnSi6-4合金，在室温下相变行为具有有益的影响，因为缺陷附近的相变可以有效抑制裂纹的萌生和扩展，从而提高缺陷容限，从而延长疲劳寿命，然而这种有益效应在100°C时受到抑制，导致疲劳强度降低。对于Si含量增加的合金变体，结果表明存在局部变形诱导的相变。在部件设计中，这是确保尺寸精度的先决条件。

     总之，增加残余奥氏体含量可以提高100Cr6的缺陷容限，而在裂纹萌生位置缺陷附近的局部变形诱导相变可能会显著提高缺陷容限。

致谢

作者感谢德国研究基金会（DFG）对这项工作的财政支持（项目编号：420401443）。此外，作者还要感谢 “莱布尼茨技术研究所（IWT）”的Brigitte Clausen教授和Klaus Burkart博士，以及亚琛工业大学钢铁研究所（IEHK）的Wolfgang Bleck教授和Tarek Allam博士以及卡塞尔大学的Ing Wenwen Song教授。本文第一作者：P. Ostermayer （RPTU Kaiserslautern-Landau）；通讯作者：B. Blinn（RPTU Kaiserslautern-Landau）。

本期小编：王永杰（整理）

闵　琳（校对）

舒　阳（审核）

王永杰（发布）