在航天航空和军工及高端装备领域，具有卓越强韧性的超高强钢被广泛应用，但人们对于其的优化依然没有停止，目前，要想进一步提高超高强钢的应用潜力，要突破的一大难点就是腐蚀与疲劳的交叉作用：腐蚀会加速疲劳裂纹萌生与扩展，而疲劳载荷又会削弱材料的抗腐蚀能力。传统的如喷丸、激光冲击强化等表面强化技术虽能在钢表面引入压应力层，但其强化深度有限、应力分布不均且易随服役环境松弛。

因此，如何更有效地同时提升超高强钢的抗腐蚀性与疲劳寿命，目前仍然在等待一个更佳的方案。近日，期刊《International Journal of Fatigue》发表了一篇题为“Simultaneously improving corrosion and fatigue resistance of A100 steel by laser-assisted ultrasonic nanocrystal surface modification”的研究论文，在论文中团队创新性地在超高强钢表面强化中提出了激光辅助超声纳米晶表面改性（LA-UNSM）策略，成功在A100钢中构建了兼具梯度组织结构与压应力场的复合强化层，实现了腐蚀性能与疲劳寿命的同步提升，为提高A100钢在腐蚀和循环载荷作用下的使用性能提供理论和技术支持。论文的通讯作者为太原理工大学的赵伟东老师和赵敬伟教授。

文章链接：

https://doi.org/10.1016/j.ijfatigue.2025.109056

【核心内容】

该研究以A100超高强度钢为研究对象，全面研究了LA-UNSM工艺对A100钢表面硬化层和残余应力场的强化机制以及梯度组织的调节机制，揭示了组织强化/应力强化及其协同作用提高腐蚀疲劳抗力的内在规律，最终经优化处理的A100钢的腐蚀电流密度显著下降，腐蚀区更均匀，同时疲劳寿命提升近24倍。

【研究方法】

研究所用的A100钢含有0.19%的碳，3.14%的铬，激光束以1064nm波长、45W功率加热局部表面，软化样品以用于随后的冲击，为了确保激光功率优化不受不同参数的影响，在整个实验过程中，超声纳米晶表面改性（UNSM）设置保持不变：静力50N，超声振幅24μm，频率20kHz，转速15r/min，进给速度0.01mm/r，使用红外相机监测LA-UNSM过程中样品表面的热分布，随后团队通过系统性的多尺度表征与统计对材料的微观组织、疲劳性能和腐蚀性能的演变进行分析。

LA-UNSM 工艺示意与温度分布图

旋转弯曲疲劳测试系统示意

【研究成果】

① 构建致密纳米梯度组织层，实现显著表面强化

经过LA-UNSM处理后，A100钢表面晶粒由粗大板条马氏体转变为细小等轴晶与高密度位错网格。塑性变形层厚度从传统UNSM的~28μm提升至~72μm。显微硬度测试表明，LA-UNSM后表面硬度达7.94GPa，较原始态提升43.6% ，硬化层深度约200μm。同时，位错密度提升至4.89×10¹⁶m^-2，显著高于UNSM的 3.81×10¹⁶m^-2。

表面组织演化

表面及深度方向显微硬度分布

位错密度分布梯度图

② 形成深层压应力场，有效抑制裂纹萌生

残余应力测试结果显示，LA-UNSM引入的最大压应力达-1727MPa，作用深度达420μm。该深层应力场显著提高了表层抗拉载荷能力，使疲劳裂纹萌生区由表面转移至内部~315μm 处，延缓了裂纹萌生。

残余应力沿深度分布

疲劳断口形貌对比：（a）control；（b）UNSM；（c）LA-UNSM

③ 原位氧化膜与细晶结构协同提升抗腐蚀性能

扫描振动电极测试（SVET）显示，经LA-UNSM处理后，A100钢表面腐蚀电流密度显著降低且分布更均匀，24h后电流转为负值，表明形成了致密氧化保护层。CLSM与SEM形貌分析证实，表面腐蚀产物明显减少，氧含量降低，说明Fe₂O₃膜及高密度LAGBs共同提高了抗蚀能力。

腐蚀电流密度演化

腐蚀后表面形貌（CLSM）

腐蚀产物SEM与EDS图

④ 疲劳寿命显著提升，实现强度与耐久的统一

在σ_max=1100 MPa条件下进行旋转弯曲疲劳试验，结果表明：

• 未处理样品中位疲劳寿命≈9.6×10⁴次；

• 经UNSM处理样品提升至1.36×10⁶次；

• 经LA-UNSM处理样品高达2.38×10⁶次，提升约23.7倍。

同时，疲劳条纹间距由0.347μm缩小至0.231μm，说明裂纹扩展速率显著降低。

疲劳寿命概率分析图

疲劳寿命对比柱状图

疲劳条纹间距对比图

⑤ 多场协同驱动的梯度强化与防护机制

激光加热促进表面滑移系激活与原子扩散，使晶粒易于重排，超声冲击诱导高应变率塑性流动，两者协同作用下，在A100钢的表层形成“细晶+LAGBs+高密度位错”的梯度纳米晶层、压应力场与氧化膜复合结构，最终起到了同时提升了抗腐蚀性与抗疲劳性的效果。

腐蚀机制示意图

抗疲劳机制示意图

【总结与展望】

综上所述，激光和超声波技术的这种协同作用有效地协调了超高强度钢的强度和延展性，显著增强了其耐腐蚀和抗疲劳能力，为航空航天、军工与高端装备等领域的高性能结构材料设计与寿命工程提供了新的技术理论基础。