编者按：由沈阳材料科学国家(联合)实验室材料疲劳与断裂研究部承担的973国家新一代钢铁材料重大基础研究项目——超细晶钢力学性能研究的前期工作通过组织细化等途径提高钢的强度取得了重要进展，现在该课题组正努力通过洁净化等途径提高高强钢的使用寿命。
    50年前,人们第一次认识到非金属夹杂物是高强钢的疲劳裂纹起源。为了提高高强钢的疲劳性能，多年来，各国投入了巨大的人力、物力，不断改进钢铁制造水平，利用二次精炼技术与其他减少非金属夹杂技术，已经极大降低了夹杂物的尺寸与含量。目前，在洁净钢中含有较少的大夹杂与很多弥散的小夹杂，大夹杂的存在对钢的疲劳寿命影响很可能是灾难性的，而小夹杂是几乎不可避免的。随着钢的强度级别进一步提高，夹杂对疲劳寿命影响就越突出。 因此首先我们面临一个问题,即夹杂到底如何影响高强钢的疲劳行为? 在项目首席科学家的主持下,我们开展了零夹杂与商用42CrMo钢的疲劳性能研究［1］。所谓零夹杂，即通过特殊冶炼方法，尽量降低钢中氧、硫等杂质元素含量，使钢中的最大非金属夹杂的尺寸小于1微米(通常商用钢最大夹杂尺寸在几十微米)。
    我们采用了主要合金成分含量一致的两种钢,一种是商用42CrMo钢(C-42CrMo),夹杂含量较多，尺寸较大；另一种是采用特殊工艺实验室冶炼的零夹杂钢(Z-42CrMo),夹杂含量少，且尺寸很小。两种钢都采用了相同的两种热处理制度。用超高频（2万Hz）疲劳试验机对其进行了超长寿命（109周，通常是107周）疲劳试验，以比较其疲劳行为。实验表明两种热处理的零夹杂钢疲劳裂纹始终起源于试样表面基体加工沟槽；相应的，两种热处理的商业用钢几乎所有试样均起源于非金属夹杂物。两种热处理零夹杂钢（Z-42CrMo）疲劳强度高于对应热处理条件下的商用钢（C-42CrMo）（参看附图）。低应力下,两种零夹杂钢在2106周后不断裂,而两种商用钢疲劳寿命分散在106–2108周的广阔范围。这表明零夹杂钢疲劳寿命可靠性明显提高。
    我们面临的第二个问题是，虽然零夹杂钢比商用钢疲劳强度有所提高，但不如我们预期的大。因为根据Murakami的研究，疲劳强度应与最大夹杂尺寸的1／6幂成反比。这样因为商用钢（C-42CrMo）的最大夹杂约40微米，而零夹杂Z-42CrMo钢的最大夹杂在1微米左右，可以推断零夹杂Z-42CrMo钢的疲劳强度应该是商用钢的1.85倍。而试验只有1.1倍左右，原因是什么呢？原来夹杂有一个临界尺寸问题［2］。夹杂小于这个尺寸不易开裂，大于这个尺寸才有可能开裂。对于类似的钢，我们曾经知道其临界尺寸在10微米左右。这样就可以知道为什么零夹杂钢不从夹杂处而从表面沟槽开裂，以及疲劳强度没有预期提高那么大的原因。
现在，我们又面临第三个问题，既然最大夹杂尺寸对疲劳性能有重要作用，那么，如何确定一定体积钢中的最大夹杂尺寸呢？事实上，用目前标准的金相方法，评价夹杂的尺寸往往是明显偏小的，而用疲劳试验，根据断口探测夹杂的尺寸无疑是相当准确而且宝贵，但又是非常费时与昂贵的。最近，应用统计极值理论已经可以比较准确方便的确定不同体积钢中最大夹杂尺寸［3］，虽然还存在不少问题，但这确实是今后洁净高强钢的夹杂统计分析的方向。
    现在我们需要解决的问题有：机械构件表面加工质量与夹杂尺寸对疲劳性能影响是如何竞争的？夹杂改性与经济洁净度问题等。这些工作正在开展中。我们还将关注工业生产中的经济洁净度的研究，使最大夹杂尺寸控制在临界夹杂尺寸以下，而不必追求零夹杂钢的1微米以下，这样就可能适当提高疲劳强度，又可以显著改善疲劳寿命可靠性， 同时，工业生产成本又可以接受，达到提高高强钢使用寿命的最终目的。
参考文献
［1］.Z.G.Yang et al., Acta Mater.,52(2004)5235
［2］.Z.G.Yang et al., Inter. J. Fatigue,26(2004)959
［3］.J.M.Zhang.et al., Mater. Sci. Eng.,394A(2005)126