背景简介

 “强塑性倒置效应”一直制约着金属材料的应用和结构设计。传统强化方法在提高强度的同时不可避免地降低了材料的塑性，这是位错滑移导致的应变局部化，最终导致材料断裂失效。目前材料科学家们提出了采用异质结构，如双峰结构、梯度结构和层片结构等来解决这一难题。在这些异质结构中，梯度结构能够有效抑制应变局部化，在维持较高延性的同时提高材料强度，因此得到了各国的广泛研究。

双相不锈钢兼具奥氏体不锈钢和铁素体不锈钢的双重优点，因此被广泛应用于海洋工程、深海石油及化学工程等行业。疲劳加载是工程材料在服役过程中常见的加载方式之一，然而双相不锈钢的疲劳性能有时不能满足工程工业的需求。近年来国内外研究发现，梯度纳米结构能够有效提高金属材料的疲劳性能，但大部分都为单相金属如316不锈钢等。对于单相金属而言，变形机制及抗疲劳机制已经有较为完善的研究，表层纳米晶粒能够抑制疲劳裂纹萌生而内部粗晶能够抑制疲劳裂纹扩展，从而提高材料疲劳性能。然而相比于单相合金，双相合金在形成纳米结构和疲劳过程中都会发生相变，使其变形和疲劳机制变得极为复杂。目前梯度纳米结构对双相金属材料的影响还未见报道，因此研究梯度纳米双相不锈钢材料的疲劳性能和机制至关重要。

成果介绍

本项工作采用超声滚压强化加工方式制备了梯度纳米双相不锈钢材料。通过常温下的应变控制疲劳试验，探究了疲劳过程中晶粒尺寸、残余应力和马氏体相变对硬度的作用，进一步阐明这三者对材料疲劳性能的影响，总结了梯度纳米双相不锈钢的疲劳力学机制。

研究发现，马氏体相变及脆硬相马氏体是产生疲劳寿命交叉点（如图，即强化后高周疲劳寿命增加而低周疲劳寿命降低）的重要原因。强化中产生的脆硬相马氏体能够提高材料强度但降低材料强度，从而增加高周疲劳寿命、减少低周疲劳寿命。同时，高周疲劳过程中的马氏体相变吸收应变能能够阻碍裂纹萌生和扩展，而低周疲劳过程中几乎不发生马氏体相变。

该项工作得到了国家重点研发计划（2018YFC1902404）、国家自然科学基金（51725503和51975214）、上海市教委科研创新项目（2019-01-07-00-02-E00068）和111引智计划的支持。

引文格式：

GB/T 7714

Liu YX, Chen H, Wang RZ, et al. Fatigue behaviors of 2205 duplex stainless steel with gradient nanostructured surface layer[J]. International Journal of Fatigue. 2021,147:106170.

MLA

Liu, Yi-xin et al. “Fatigue behaviors of 2205 duplex stainless steel with gradient nanostructured surface layer.” International Journal of Fatigue 147 (2021): 106170.

APA

Liu, Y., Chen, H., Wang, R., Jia, Y., Zhang, X., Cui, Y., & Tu, S. (2021). Fatigue behaviors of 2205 duplex stainless steel with gradient nanostructured surface layer. International Journal of Fatigue, 147, 106170.

（图文供稿：华东理工大学 陈浩；

网络编辑：侯志伟，费嘉文，温建锋）