在一些工业应用中，金属结构部件常因疲劳而失效，304奥氏体不锈钢因耐腐蚀性优异而在工业领域中被广泛使用，存在着在高周疲劳工况下疲劳极限低、寿命短的问题，如何在不牺牲材料塑性的基础上提高高周疲劳性能一直是304不锈钢的一个核心优化挑战。

在传统的优化路径中，晶粒细化可显著提高强度，但其在高周疲劳性能的提升上并没有太大作用。近年来，开始有研究人员提出新的思路，即通过微观结构的梯度设计，抑制应变集中，延缓微观裂纹萌生，但该优化策略对于304不锈钢在近屈服应力条件下其高周疲劳性能的变化机理仍缺乏系统性的研究。

近日中科院金属研究所卢磊研究员团队与佐治亚理工学院合作，在合金中引入了梯度位错胞结构（GDS）以获得优异的强度-延展性组合并提高了304不锈钢的抗疲劳性能。这项研究结果于2025年8月7日被发表在国际期刊《Acta Materialia》上。

文章链接：

https://doi.org/10.1016/j.actamat.2025.121415

【核心内容】

这项研究证明了在 304奥氏体不锈钢（304 SS）中构建梯度位错胞（GDS）结构可以显著提高对对称拉压高周疲劳的抵抗力，GDS 304 SS在10⁷次循环下的疲劳极限达到320MPa，疲劳极限/强度比达到0.48，且保持了55%的均匀延伸率。

图形摘要

【研究方法】

团队以退火获得单相粗晶奥氏体304不锈钢为起始材料，通过大角度循环扭转在表层引入高密度、亚微米级低角度位错胞，形成从表面至芯部连续过渡的梯度结构。利用EBSD、TEM、纳米电子衍射等手段对位错胞尺寸、取向差及几何必要位错密度进行精确测量，并结合室温拉伸、对称拉-压高周疲劳（R = -1，10Hz）和原子模拟揭示其变形机理。

【研究成果】

① 微观结构优势

团队通过循环扭转（CT）技术制备了GDS 304 SS，平均晶粒尺寸为40μm，其表层等轴位错胞平均直径约为280nm，取向差0.98°，胞壁位错密度达1.3×10¹⁵ m^-2，位错胞平均直径随深度增加，在0.5mm深度达到350nm，在2mm深度达到480nm，这一梯度结构有效抑制循环应变局部化，保持结构稳定。

具有梯度位错胞结构的304 SS显微组织

② 力学与疲劳性能

相比粗晶态（CG 304 SS），GDS 304 SS与CG的236±3MPa和610±2MPa相比，GDS 304 SS的屈服强度和极限抗拉强度显著提高到了466±2MPa和664±12MPa，屈服强度提升约一倍，疲劳寿命在相同应力幅下提高至少一个数量级，且疲劳极限接近纳米结构的304不锈钢，但GDS 304 SS的这一提升没有损失材料的塑性，保持着较高的55±1%均匀伸长率。

GDS和CG 304 SS的力学性能

③ 循环变形机理

高周疲劳下，表层胞壁反复激活部分位错产生堆垛层错（SFs）和形变孪晶（TBs），在胞尺度内实现应变去局域化，显著减轻表面粗化，延缓裂纹萌生。原子模拟揭示SF/TB在加载-卸载过程中的可逆演化与累积硬化作用。

400MPa Δσ/2下GDS疲劳失效后的变形组织

不锈钢纳米晶体加载循环的原子尺度动态响应机制

304不锈钢疲劳损伤的多尺度形貌演化：GDS与CG状态对比

【总结与展望】