結(jié)構(gòu)材料有一定的使用壽命。在實(shí)際使用環(huán)境下的金屬結(jié)構(gòu)材料的損壞原因多是疲勞。疲勞斷裂發(fā)生在屈服強(qiáng)度以下。金屬結(jié)構(gòu)材料即使在沒(méi)有發(fā)生宏觀塑性變形的狀態(tài)下，在各種應(yīng)力反復(fù)作用下，金屬中的位錯(cuò)組織不斷發(fā)生變化。其結(jié)果是，最薄弱的位錯(cuò)組織發(fā)生裂紋、裂紋擴(kuò)展、直至材料斷裂。發(fā)生疲勞斷裂時(shí)的負(fù)荷循環(huán)次數(shù)叫做疲勞壽命。發(fā)生疲勞斷裂的極限應(yīng)力叫做疲勞極限。一般，將在一定應(yīng)力振幅作用下，對(duì)材料試樣反復(fù)施加107次疲勞負(fù)荷，試樣未斷裂的應(yīng)力振幅規(guī)定為疲勞極限。對(duì)于鋼鐵材料，疲勞裂紋擴(kuò)展時(shí)間大于疲勞裂紋萌生時(shí)間。因此，在研究鋼鐵材料的疲勞壽命時(shí)，疲勞裂紋的擴(kuò)展行為是重要的因素。此外，疲勞裂紋的擴(kuò)展行為也是疲勞極限的支配因子。以下對(duì)鋼鐵材料疲勞裂紋擴(kuò)展行為的研究情況進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹。

        微小疲勞裂紋停止擴(kuò)展和應(yīng)變時(shí)效硬化
        疲勞裂紋擴(kuò)展行為決定著疲勞極限，是因?yàn)榻饘俨牧现挟a(chǎn)生疲勞裂紋后，在疲勞負(fù)荷的反復(fù)作用下，當(dāng)疲勞裂紋不發(fā)生擴(kuò)展時(shí)，由于疲勞裂紋擴(kuò)展速度是零，所以即使材料中產(chǎn)生了裂紋也不發(fā)生斷裂，這個(gè)疲勞裂紋停止擴(kuò)展的極限應(yīng)力是疲勞極限。鋼鐵材料中即使存在疲勞裂紋，但只要應(yīng)力小于疲勞極限，鋼鐵材料就是健康的狀態(tài)。Fe-0.017%C（mass%，下同）鐵素體單相組織鋼疲勞極限時(shí)的復(fù)型圖像（疲勞負(fù)荷應(yīng)力比為-1）顯示，疲勞裂紋發(fā)生后，停止了擴(kuò)展。

       如圖1所示，微小疲勞裂紋停止擴(kuò)展的原因有三個(gè)類別。1）裂紋前端發(fā)生變形，產(chǎn)生鈍化（圖1（a））。2）裂紋閉合。裂紋發(fā)生變形，在裂紋前端形成塑性區(qū)，在塑性區(qū)材料沿裂紋開(kāi)口方向發(fā)生塑性變形。由于受到周圍彈性變形區(qū)的拘束，塑性變形區(qū)發(fā)生彈性壓縮。卸載后，彈性壓縮場(chǎng)殘留下來(lái)，阻礙著閉合后裂紋在再次拉伸負(fù)荷下的張開(kāi)（圖（b））。殘留彈性壓縮場(chǎng)的規(guī)模隨微小疲勞裂紋的擴(kuò)展而增大，當(dāng)裂紋擴(kuò)展到某一長(zhǎng)度時(shí)，擴(kuò)展完全停止。這種裂紋閉合現(xiàn)象稱為塑性誘發(fā)裂紋閉合效應(yīng)。3）疲勞裂紋前端周圍硬化，成為塑性變形的阻力。疲勞裂紋前端周圍越硬，對(duì)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的阻力越大，對(duì)裂紋張開(kāi)的阻力也就越大（圖1（c））。對(duì)這三個(gè)因素進(jìn)行控制是提高材料疲勞極限的關(guān)鍵。對(duì)于疲勞裂紋前端周圍硬化的第三個(gè)因素，應(yīng)變時(shí)效硬化是使疲勞裂紋前端周圍硬化的有效方法。鋼中的固溶碳對(duì)應(yīng)變時(shí)效硬化有重要影響。
        為緩解裂紋前端的大應(yīng)力集中，需要發(fā)生塑性應(yīng)變。由于裂紋前端存在靜水壓梯度，所以應(yīng)力誘發(fā)擴(kuò)散促進(jìn)碳向裂紋前端的擴(kuò)散和偏析。此外，在疲勞極限附近，疲勞裂紋擴(kuò)展速度很慢，所以碳的擴(kuò)散需要一定時(shí)間。這就是說(shuō)，在裂紋前端具備了大塑性應(yīng)變、高碳濃度、長(zhǎng)時(shí)效時(shí)間這三個(gè)條件。因此在裂紋前端產(chǎn)生應(yīng)變時(shí)效硬化，使裂紋擴(kuò)展停止。

        圖2是經(jīng)淬火處理、碳處于過(guò)飽和狀態(tài)的無(wú)間隙原子鋼（IF鋼）Fe-0.006%C和Fe-0.017%C的應(yīng)力振幅-疲勞壽命（S-N）曲線。從S-N曲線可知，固溶碳提高了鋼的疲勞極限。需關(guān)注的是，S-N曲線的107循環(huán)次數(shù)以后的曲線部分，是在107以上疲勞次數(shù)施加反復(fù)應(yīng)力的部分。在該部分疲勞斷裂的極限應(yīng)力升高。將在疲勞極限以下應(yīng)力作用下疲勞強(qiáng)度升高的現(xiàn)象稱為硬化效應(yīng)。疲勞強(qiáng)度升高的主要原因是加工硬化和應(yīng)變時(shí)效硬化。其中應(yīng)變時(shí)效硬化對(duì)鋼材的上述硬化效應(yīng)十分重要。在疲勞極限以下的低應(yīng)力疲勞試驗(yàn)中，雖然沒(méi)有觀察到宏觀塑性變形，但在低強(qiáng)度組織部位和應(yīng)力集中的疲勞裂紋前端已局部導(dǎo)入了塑性應(yīng)變，并且有了發(fā)生應(yīng)變時(shí)效的足夠時(shí)間（107次循環(huán)）。因此，材料在疲勞試驗(yàn)中被強(qiáng)化、疲勞極限升高。上述硬化效應(yīng)程度與鋼中碳含量有依存關(guān)系。圖2中，碳含量最大的Fe-0.017%C鋼產(chǎn)生顯著的硬化效應(yīng)。

        過(guò)飽和碳與微小疲勞裂紋擴(kuò)展停止極限
        本研究測(cè)定了晶內(nèi)微小裂紋擴(kuò)展停止極限的應(yīng)力擴(kuò)大系數(shù)。值得注意的是，0.002%C的IF鋼疲勞裂紋擴(kuò)展停止極限有顯著提高。這就是說(shuō)，與傳統(tǒng)鋼相比，如果使鐵素體含有少量的過(guò)飽和固溶碳，由于應(yīng)變時(shí)效引起疲勞裂紋前端的動(dòng)態(tài)硬度變化，可顯著提高微小疲勞裂紋擴(kuò)展停止極限。換言之，水淬使鐵素體中的固溶碳量增加，對(duì)于提高鋼的疲勞特性具有重要作用。

        4 i-s相互作用引起的應(yīng)變時(shí)效現(xiàn)象與疲勞裂紋擴(kuò)展停止極限
        鋼鐵材料的主要構(gòu)成相不僅有鐵素體，奧氏體也是重要的構(gòu)成相。但是對(duì)室溫奧氏體的疲勞問(wèn)題，過(guò)去沒(méi)有考慮應(yīng)變時(shí)效的影響。原因是，碳在奧氏體中的擴(kuò)散速度顯著小于在鐵素體中的擴(kuò)散速度。但實(shí)際上并非如此。近年來(lái)有研究報(bào)告報(bào)道了利用間隙原子（i）-置換原子（s）的相互作用，在奧氏體鋼中也出現(xiàn)了應(yīng)變時(shí)效硬化現(xiàn)象。具體而言，F(xiàn)e-Mn-C基的奧氏體鋼，由于Mn和C的相互引力作用，產(chǎn)生應(yīng)變時(shí)效硬化效應(yīng)。這種Fe-Mn-C基奧氏體鋼是因TWIP（孿晶誘發(fā)塑性）效應(yīng)而具有高延性、高強(qiáng)度的鋼。該鋼種的疲勞極限比不含碳的TWIP鋼的疲勞極限高。不含碳的TWIP鋼沒(méi)有應(yīng)變時(shí)效硬化現(xiàn)象，疲勞裂紋擴(kuò)展不能停止，而Fe-Mn-C基奧氏體TWIP鋼在疲勞極限時(shí)，疲勞裂紋擴(kuò)展停止。圖3是Fe-Mn-C基的TWIP鋼與無(wú)應(yīng)變時(shí)效的奧氏體鋼的疲勞壽命的比較。Fe-Mn-C基TWIP鋼的疲勞極限時(shí)的疲勞壽命長(zhǎng)。原因是，在低應(yīng)力條件下，由于應(yīng)變時(shí)效硬化的作用，F(xiàn)e-Mn-C基奧氏體TWIP鋼中微小疲勞裂紋的擴(kuò)展速度較小。這就是說(shuō)，通過(guò)產(chǎn)生應(yīng)變時(shí)效硬化的合金設(shè)計(jì)，可以提高奧氏體鋼的疲勞極限和接近疲勞極限時(shí)的疲勞壽命。過(guò)去，沒(méi)有進(jìn)行通過(guò)產(chǎn)生應(yīng)變時(shí)效硬化的合金設(shè)計(jì)，提高奧氏體鋼疲勞極限的嘗試，現(xiàn)在可以通過(guò)添加合金元素，使鋼產(chǎn)生應(yīng)變時(shí)效硬化來(lái)提高鋼的疲勞特性。