引文格式：

GB/T 7714 ? ?

Wolke S, Smaga M, Beck T. Influence of surface morphologies and defects on the high cycle fatigue life of high manganese TWIP steel[J]. International Journal of Fatigue, 2025: 109089.

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Wolke, Stefan, Marek Smaga, and Tilmann Beck. "Influence of surface morphologies and defects on the high cycle fatigue life of high manganese TWIP steel."?International Journal of Fatigue?(2025): 109089.

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Wolke, S., Smaga, M., & Beck, T. (2025). Influence of surface morphologies and defects on the high cycle fatigue life of high manganese TWIP steel.?International Journal of Fatigue, 109089.

背景簡介

高錳孿生誘導塑性（TWIP）鋼因其在塑性變形過程中發生的機械孿生而具有優異的強度與延展性，近年來引起廣泛的關注。其低周疲勞行為表現為初始循環硬化后軟化，晶粒細化可提升低周疲勞強度；高周疲勞強度與抗拉強度比值僅在0.4~0.5之間，循環變形以初始軟化和后續硬化為特征，且高周疲勞中孿生對疲勞裂紋萌生抑制作用不顯著。現有研究表明，表面處理（如銑削、深層滾壓）可通過引入殘余應力、加工硬化或晶粒細化提升疲勞壽命，但表面形貌的影響機制復雜：微缺口可能降低疲勞壽命，而壓殘余應力和近表面硬化則可能增強疲勞強度。然而，針對不同表面形貌（如軋制表皮、銑削表面）對TWIP鋼高周疲勞的系統性研究較少，尤其是夾雜物作為裂紋萌生點的作用尚未明確。本研究旨在探究高錳TWIP鋼1.7401 LY的表面形貌（軋制表皮、電解拋光、不同冷卻條件下的銑削表面）對高周疲勞壽命的影響，通過表征表面形貌、近表面晶粒結構、相組成、殘余應力和硬度梯度，分析其對循環變形行為和裂紋萌生的作用，為TWIP鋼表面改性提供依據。

成果介紹

（1）表面形貌特征及其對疲勞性能的影響。圖1顯示了不同表面下粗糙度參數的比較，表面形貌的縮寫如表1所示。軋制表面的最大輪廓高度（SZ）和算術平均高度（Sa）顯著高于銑削和拋光表面，而銑削表面（無論冷卻方式）與拋光表面的SZ相近，僅拋光表面在拋光后出現局部孔洞（深度≤2μm）。圖2的相分析結果表明所有表面形貌均以奧氏體為主，僅軋制表面因酸洗含ε-馬氏體，但未導致顯著硬度偏差（圖3）。圖4為研究表面形貌在后續疲勞加載方向上的殘余應力結果。銑削表面初始拉殘余應力達180~570 MPa，但循環加載后快速飽和至160 MPa（<5% 疲勞壽命），與拋光表面和軋制表面的低殘余應力狀態趨同。上述結果表明表面改性對整體力學狀態影響微弱。

圖1 不同表面處理后試樣的最大輪廓高度（SZ）和算術平均高度（Sa）的比較

表1 不同表面形貌的縮寫

圖2 疲勞加載前2θ在40至100范圍內的X射線衍射圖，分別為a)上銑試樣、b)下銑試樣和c)軋制表皮及拋光參考試樣

圖3 使用納米壓痕在試樣橫截面測量的硬度隨表面距離的變化，測量條件為：a) 使用常規金屬加工液的上銑和下銑、使用常規金屬加工液上銑后拋光以及軋制表皮；b) 上銑；c) 使用常規金屬加工液、零下金屬加工液和干冰的下銑

圖4 所研究表面形貌在后續疲勞加載方向上的殘余應力

（2）循環變形行為與疲勞壽命的機制關聯。所有表面形貌的循環變形均遵循“初始軟化→循環硬化”模式，高應力幅值（如σa=360 MPa）導致更大塑性應變幅值和更早失效，如圖5所示。對圖6的S-N曲線的分析結果表明銑削表面（無論冷卻方式或上下銑）與拋光表面的疲勞壽命無統計學差異，壽命分散性主要由夾雜物分布而非表面處理導致。軋制表面的疲勞壽命略低于拋光表面，但與拋光表面中夾雜物引發裂紋的試樣壽命接近，表明粗糙度的影響被缺陷效應覆蓋。

圖5 a)拋光試樣在高周疲勞過程中塑性應變幅值的變化，以及b)相關的循環應力 - 應變曲線

圖6 拋光試樣、使用常規金屬加工液、零下金屬加工液和干冰的上銑及下銑試樣，以及具有軋制表皮試樣的應力-壽命（S-N）數據

（3）裂紋萌生機制與缺陷主導理論。如圖7所示，拋光與銑削試樣的裂紋均起源于非金屬夾雜物（如氮化鋁、鈦化物），夾雜物中心距表面小于兩倍等效直徑的距離，部分夾雜物破裂導致裂紋擴展。軋制表面的裂紋直接源于表面粗糙度，無夾雜物參與，驗證形貌應力集中的局部作用。通過夾雜物投影面積計算應力強度因子KI,max，結果如圖8所示。發現所有試樣KI,max?>4.15 MPa√m，超過 TWIP 鋼疲勞裂紋擴展閾值（ΔKth?= 5.9 MPa√m），說明缺陷尺寸主導疲勞強度，銑削表面未改變σa/σw比值分布，證實其未提升缺陷容限。

圖7 在裂紋萌生位置檢測到的非金屬夾雜物示例：a）氮化鋁（示例性標注了距表面的最大距離ds, max；b）氧氮化鋁；c）氮化鈦；d）部分破裂且存在缺失碎片的氮化鋁，以及從二次電子（SE）圖像導出并示意性標注的初始投影面積

圖8?σa/σw-N?數據：a）區分拋光和銑削表面形貌的結果；b）針對銑削表面試樣在裂紋萌生位置的夾雜物類型分析

（4）表面形貌差異（如粗糙度、殘余應力）未根本改變循環變形行為，疲勞壽命主要由夾雜物尺寸、類型及分布決定。銑削誘導的納米晶層與硬化雖局部提升強度，但夾雜物引發的裂紋萌生機制占主導，最終導致不同表面處理的疲勞壽命趨同。這一發現為 TWIP 鋼省去表面精加工提供了理論依據。

致謝

本研究由德國研究基金會 (DFG) 資助，項目編號為 172116086，資助編號為 SFB 926。感謝蒂森克虜伯霍恩林堡有限公司提供 TWIP 鋼 1.7401。感謝德國凱澤斯勞滕-蘭道鐵路制造技術與生產系統研究所的 K. Gutzeit、B. Kirsch 和 JC Aurich，他們使用零下金屬加工液和干冰制作了上下銑削試樣。本文第一作者：Stefan Wolke（RPTU Kaiserslautern-Landau），本文通訊作者：Marek Smaga（RPTU Kaiserslautern-Landau）。

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本期小編：郭子鍵（整理）

董乃健（校對）

程　航（審核）

王永杰（發布）

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