摘要

隨著金屬材料常規(guī)力學(xué)性能研究的不斷深化與完善，疲勞、蠕變等長時間服役性能越來越成為制約金屬材料發(fā)展的瓶頸問題。鋼鐵材料是最重要的工程結(jié)構(gòu)材料之一，為闡明其疲勞失效機理，關(guān)于鋼鐵材料顯微組織與疲勞性能關(guān)系的研究更是領(lǐng)域內(nèi)長久以來的熱點和難點問題。隨著鋼鐵冶煉技術(shù)的日新月異，對于疲勞性能的組織影響因素研究也逐步從夾雜物向亞穩(wěn)奧氏體、析出物等特征組織因素轉(zhuǎn)變。因此，為進一步分析疲勞性能的組織影響因素研究的可行方向，本文著重綜述了先進鋼鐵材料中亞穩(wěn)奧氏體組織對疲勞性能的影響規(guī)律，總結(jié)了相關(guān)學(xué)者針對低周疲勞、高周疲勞等不同服役條件提出的亞穩(wěn)奧氏體對疲勞性能的影響機制，并進一步以已有實驗結(jié)果為數(shù)據(jù)支撐，通過支持向量機、BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等機器學(xué)習(xí)算法對亞穩(wěn)奧氏體組織特征與疲勞性能關(guān)系進行了定量化評估，初步形成了亞穩(wěn)奧氏體含量/穩(wěn)定性與疲勞壽命的定量關(guān)系，為鋼鐵材料疲勞性能的機理研究提供基礎(chǔ)與方向性指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞： 先進鋼鐵材料 ; 亞穩(wěn)奧氏體 ; 疲勞性能 ; 失效機制 ; 數(shù)據(jù)挖掘

疲勞失效是金屬材料最為主要的失效形式之一[1]，而鋼鐵材料作為最重要的工程結(jié)構(gòu)材料之一，疲勞性能更是其在長期服役過程中不容忽視的重要指標(biāo)[2,3]。首先，對于疲勞性能研究的難點之一在于疲勞并非材料本身的本征屬性，而是與材料/構(gòu)件及服役工況高度耦合的。依據(jù)材料/構(gòu)件結(jié)構(gòu)的差異，疲勞可分為光滑疲勞、缺口疲勞[4,5]、全尺寸疲勞[6]等；依據(jù)服役工況差異可分為拉壓疲勞[7]、彎曲疲勞[8,9]、扭轉(zhuǎn)疲勞[10,11]等；甚至基于疲勞循環(huán)周次的差異可分為低周、高周、超高周疲勞等。而這種材料/構(gòu)件結(jié)構(gòu)及服役工況的復(fù)雜性，究其根本，是力學(xué)層面上材料/構(gòu)件受力狀態(tài)及應(yīng)力/應(yīng)變分布的差異[12]，因此對于材料疲勞性能的研究在力學(xué)領(lǐng)域很快得到了迅猛的發(fā)展。現(xiàn)今，針對海工鋼[13]、齒輪鋼[14]、軸承鋼[15]等眾多高端裝備、民用建設(shè)等領(lǐng)域的關(guān)鍵工程用鋼，已經(jīng)形成了大量系統(tǒng)性的疲勞性能積累。而進一步針對疲勞性能測試周期長的核心問題，以工程力學(xué)為基本理念的疲勞性能研究經(jīng)歷了多年深化，已建立了比較系統(tǒng)的常規(guī)力學(xué)性能與疲勞性能關(guān)系的唯象理論，例如Basquin[16]針對高周疲勞提出的應(yīng)力-壽命模型，Coffin[17]和Manson[18]針對低周疲勞提出的應(yīng)變-壽命模型以及張哲峰等[19]以能量積累角度提出的三維統(tǒng)一模型等。這些理論模型均可以在不同的適用領(lǐng)域較好地反應(yīng)疲勞性能與常規(guī)力學(xué)性能間的關(guān)系。然而，隨著力學(xué)領(lǐng)域?qū)Σ牧?構(gòu)件結(jié)構(gòu)及服役工況研究的不斷深化與完善，在力學(xué)層面形成了比較系統(tǒng)的規(guī)律性結(jié)果后，材料本征屬性對疲勞性能的影響問題日益凸顯出來。基礎(chǔ)力學(xué)性能與疲勞的關(guān)系只是力學(xué)層面上的表象關(guān)聯(lián)，究其機理本質(zhì)，相同測試/服役條件下，疲勞性能的差異直接取決于材料的微觀組織差異，材料微觀組織的影響是疲勞失效的根本原因，更是進行新材料研發(fā)和進一步提升材料疲勞性能研究時無法繞過的核心問題。

在針對鋼鐵材料微觀組織與疲勞性能關(guān)聯(lián)性的研究中，廣泛關(guān)注的首先是夾雜物。通過對MnS[20,21,22]、Al2O3[23]、TiN[24]等大量不同種類夾雜物的綜合分析，絕大多數(shù)夾雜物會對鋼鐵材料疲勞性能造成顯著惡化效果已經(jīng)形成共識[25]。迄今為止，大量針對鋼鐵材料疲勞性能的研究中依然將夾雜物的控制作為最主要的疲勞性能優(yōu)化手段[26]。然而，隨著電渣重溶、真空自耗等冶煉技術(shù)與工藝的逐步成熟[27]，部分高端制造業(yè)的特殊鋼種已經(jīng)可以逐步擺脫夾雜物起裂的制約，而在越來越多針對非夾雜物起裂的高端鋼種疲勞性能研究中[28]，對亞穩(wěn)奧氏體[29]、納米析出物[30]、等溫貝氏體[31]等特征組織的影響分析則越來越凸顯出其重要的價值。亞穩(wěn)奧氏體作為鋼鐵材料中的重要特征組織之一，其雖為單一相，但其含量[32,33]、穩(wěn)定性[34,35,36,37,38]等多種影響特征對疲勞性能影響卻很大，而穩(wěn)定性等影響特征又包含尺寸、形貌等多種影響因素，這使得亞穩(wěn)奧氏體本身就形成了龐大而豐富的研究體系，同時也為針對亞穩(wěn)奧氏體影響的疲勞研究帶來了一定的復(fù)雜性。現(xiàn)今先進超高強汽車鋼等眾多高端鋼種已經(jīng)通過大量深入的機理分析建立起以亞穩(wěn)奧氏體調(diào)控為主要技術(shù)手段的核心理念[39]，實現(xiàn)了鋼種常規(guī)力學(xué)性能的綜合提升與產(chǎn)品的持續(xù)更新?lián)Q代。因此，在鋼鐵材料的疲勞性能研究領(lǐng)域，建立起亞穩(wěn)奧氏體的影響規(guī)律體系，深化其影響機理，有利于實現(xiàn)基于亞穩(wěn)奧氏體調(diào)控的疲勞性能優(yōu)化，從而指導(dǎo)多種鋼鐵材料疲勞性能的提升。

因此，本文旨在通過對先進鋼鐵材料中亞穩(wěn)奧氏體組織對疲勞性能的影響與機理進行綜述，分別針對低周疲勞和高周疲勞2個受到廣泛關(guān)注的疲勞評價體系，詳述亞穩(wěn)奧氏體組織對鋼鐵疲勞性能影響的研究現(xiàn)狀。進一步以已有實驗結(jié)果為數(shù)據(jù)支撐，通過機器學(xué)習(xí)算法對亞穩(wěn)奧氏體組織特征與疲勞性能關(guān)系進行定量化評估與分析，從而為高端鋼鐵材料的疲勞失效機理的深化和疲勞性能的提升提供理論指導(dǎo)。

1 亞穩(wěn)奧氏體組織特征與疲勞性能的關(guān)聯(lián)

鋼中的亞穩(wěn)奧氏體在疲勞服役過程中的演化規(guī)律，有利于提升疲勞性能的亞穩(wěn)奧氏體組織特征以及亞穩(wěn)奧氏體影響疲勞性能的具體機制等問題一直是受諸多因素影響的復(fù)雜問題。因此，亞穩(wěn)奧氏體含量及穩(wěn)定性對高周疲勞和低周疲勞的影響更是備受關(guān)注的核心方向之一。

1.1 低周疲勞下的亞穩(wěn)奧氏體組織特征影響

1.1.1 亞穩(wěn)奧氏體體積分?jǐn)?shù)與低周疲勞壽命的關(guān)系

大量研究[29,32,33,40]認(rèn)為，亞穩(wěn)奧氏體組織的存在有利于提高低周疲勞壽命。總結(jié)Hilditch等[41]與Padmanabhan等[42]進行的疲勞壽命與應(yīng)變幅關(guān)系實驗結(jié)果，如圖1a[41,42]所示。可見，含有亞穩(wěn)奧氏體組織的TRIP780、F-B-M (R)分別較DP590、T-M (F) (其中，TRIP代表相變誘發(fā)塑性鋼，DP代表雙相鋼，F(xiàn)-B-M (R)代表鋼中組織為鐵素體、貝氏體、馬氏體和部分殘余奧氏體，T-M (F)代表鋼中組織為回火馬氏體)表現(xiàn)出更長的疲勞壽命，由此可得，亞穩(wěn)奧氏體組織的存在有利于提高低周疲勞壽命。

圖1   引入亞穩(wěn)奧氏體組織提高低周疲勞壽命[41,42]和亞穩(wěn)奧氏體組織存在降低低周疲勞壽命[43]

首先，早期部分學(xué)者將鋼鐵材料優(yōu)異的疲勞性能歸結(jié)于亞穩(wěn)奧氏體組織的存在。比如，Biswas等[33]在304LN不銹鋼樣品全奧氏體體系下進行的低周疲勞實驗認(rèn)為，亞穩(wěn)奧氏體組織有利于低周疲勞壽命的原因是服役過程中亞穩(wěn)奧氏體相變產(chǎn)生壓縮應(yīng)力，從而降低載荷振幅并顯著降低疲勞裂紋的擴展速率，最終表現(xiàn)為優(yōu)異的低周疲勞壽命。Huo和Gao[40]同樣分析了包含馬氏體、薄膜狀亞穩(wěn)奧氏體和碳化物的復(fù)相組織對高強鋼疲勞壽命的影響，從疲勞裂紋傳播速率的角度解釋了亞穩(wěn)奧氏體對疲勞壽命的影響機理，但其提出的機理與Biswas等[33]的研究有所不同，其認(rèn)為：馬氏體相變過程所帶來的有利影響(吸收能量和閉合裂紋)大于馬氏體相變產(chǎn)物脆性孿生馬氏體所帶來的不利影響，從而導(dǎo)致疲勞裂紋的傳播速率降低。盡管不同學(xué)者的研究體系存在差異，可無論是以奧氏體組織為基體還是以馬氏體組織為基體，基體組織的顯著差異并不影響亞穩(wěn)奧氏體提升低周疲勞壽命這一普適性規(guī)律。

除此之外，有學(xué)者進一步通過對有無亞穩(wěn)奧氏體組織的鋼鐵材料疲勞壽命的對比研究，更加深入地說明亞穩(wěn)奧氏體的存在有利于疲勞壽命。Glage等[29]的研究表明，在不同的處理工藝下，TRIP鋼均顯示出比DP鋼更低的循環(huán)軟化率，對于TRIP780鋼，殘余奧氏體在初始循環(huán)期間發(fā)生馬氏體相變，降低軟化率，因此TRIP鋼較高的抗循環(huán)軟化性可能與殘余奧氏體向馬氏體的轉(zhuǎn)變有關(guān)。Padmanabhan和Sankaran[42]研究了F-B-M (F) (F-B-M (F)代表鋼中組織為鐵素體、貝氏體、馬氏體)、T-M (F)、F-B-M (R) 3個不同組織體系鋼種的低周疲勞行為，結(jié)果表明，總應(yīng)變振幅為0.4%時，與F-B-M (F)和T-M (F)鋼相比，F(xiàn)-B-M (R)鋼的疲勞壽命分別提高了16%和152%，這歸因于板條間帶/薄膜殘留奧氏體在防止疲勞載荷期間的軟化方面起到重要作用。而Hilditch等[41]也通過對比DP590和TRIP780鋼有無奧氏體組織對低周疲勞壽命的影響，認(rèn)為亞穩(wěn)奧氏體有利于提升疲勞壽命的機理是多個影響機制累積疊加的結(jié)果。疲勞壽命的改善與亞穩(wěn)奧氏體組織具有更高的延展性、更好的容納累積塑性應(yīng)變的能力以及馬氏體相變引起裂紋尖端鈍化現(xiàn)象均有關(guān)。由上可知，在有無奧氏體組織的對比實驗中，盡管奧氏體影響疲勞壽命的理論解釋存在差異，但絕大多數(shù)結(jié)果表明亞穩(wěn)奧氏體的存在是有利于提高鋼鐵材料低周疲勞壽命的。然而，以上研究雖然定性地給出了亞穩(wěn)奧氏體的存在有利于疲勞壽命的規(guī)律性結(jié)果，但是Hilditch等[43]的研究結(jié)果表明有無亞穩(wěn)奧氏體組織的鋼鐵材料的強度級別存在差異(DP590屈服強度為590 MPa、TRIP780屈服強度為780 MPa)，這勢必對疲勞強度存在較大影響，進而對奧氏體組織與疲勞壽命關(guān)系分析的合理性產(chǎn)生影響。

為了進一步合理地分析亞穩(wěn)奧氏體組織對鋼鐵材料疲勞性能的影響，Hu等[44]為了排除強度級別對疲勞性能影響，對具有相同強度級別的TRIP590和DP590鋼分別進行了低周疲勞實驗，對循環(huán)加載過程中的應(yīng)力變化進行觀察，如圖2[44]所示。在整個測試應(yīng)變振幅范圍內(nèi)，含有亞穩(wěn)奧氏體組織的TRIP鋼均表現(xiàn)出了更好的循環(huán)軟化抗力，最終體現(xiàn)出更為優(yōu)異的疲勞壽命。Hu等[44]將這一現(xiàn)象歸因于亞穩(wěn)奧氏體組織帶來的高塑性、高循環(huán)屈服強度、高循環(huán)應(yīng)力以及TRIP效應(yīng)的綜合作用。認(rèn)為：高塑性提高了累積塑性應(yīng)變的耐受性；較高的循環(huán)屈服強度和循環(huán)應(yīng)力導(dǎo)致在特定的總應(yīng)變幅值下TRIP鋼具有較高的彈性應(yīng)變分量，因而塑性應(yīng)變分量較低。在循環(huán)加載的過程中，裂紋尖端附近的殘余奧氏體體積分?jǐn)?shù)由最初的5.7%下降到5.1%，奧氏體部分轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，而馬氏體相變可吸收變形能，緩和局部應(yīng)力集中，產(chǎn)生壓縮內(nèi)應(yīng)力，從而抑制微裂紋的萌生和延遲。除此之外，Hu等[44]通過Neuber因子的計算，從疲勞裂紋萌生角度定量化描述了亞穩(wěn)奧氏體組織的有利作用。結(jié)果表明，在整個測試應(yīng)變振幅范圍內(nèi)，TRIP590鋼的Neuber因子均高于DP590鋼，說明TRIP590鋼在應(yīng)力集中處的彈性應(yīng)力更大，相應(yīng)的塑性應(yīng)變更小。Hu等[44]的研究不僅排除了強度級別對疲勞性能的影響，而且較前人定性研究的基礎(chǔ)上更定量表征了殘余奧氏體組織在服役前后的體積分?jǐn)?shù)演變，并進一步說明了有無亞穩(wěn)奧氏體對疲勞裂紋萌生的影響。不足之處是Hu等[44]關(guān)于循環(huán)屈服強度的解釋片面地考慮了提高屈服強度可以使彈性應(yīng)變所占比例提高，從而有利于低周疲勞壽命；而忽略了增加循環(huán)應(yīng)力水平所導(dǎo)致的疲勞損傷加劇，導(dǎo)致低周疲勞性能降低。關(guān)于屈服強度提升對低周疲勞壽命的影響需要進一步深入研究。

圖2   TRIP590和DP590鋼在不同應(yīng)變振幅下的應(yīng)力振幅隨循環(huán)次數(shù)的演變[44]

與大部分研究結(jié)果相反的是，也有部分研究[43,45,46,47]表明，高應(yīng)變振幅下，引入亞穩(wěn)奧氏體組織會導(dǎo)致疲勞壽命降低。如圖1b[43]所示，Hilditch等[43]的研究認(rèn)為，殘余奧氏體通常在裂紋尖端傳播到其界面前就已經(jīng)轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，新形成的馬氏體可以為裂紋快速擴展提供路徑，因此不利于低周疲勞壽命。這種現(xiàn)象在殘余奧氏體體積分?jǐn)?shù)相對較低(低于20%)的鋼中尤為顯著。研究[43]指出：DP780和TRIP980鋼在低總應(yīng)變振幅(0.004)下的應(yīng)變壽命最高。在如此低的總應(yīng)變振幅下，疲勞失效壽命與材料的屈服強度密切相關(guān)，因為較高的屈服強度意味著所施加的總應(yīng)變振幅中的彈性應(yīng)變分量較大。由于塑性應(yīng)變分量對導(dǎo)致失效的損傷貢獻最大，因此對于給定總應(yīng)變幅條件下應(yīng)該通過較高的屈服強度來提升應(yīng)變壽命，而亞穩(wěn)奧氏體組織常常作為鋼中軟相，不利于屈服強度的提升，進而會對疲勞壽命產(chǎn)生不利影響。Tsuzaki等[45]也指出，TRIP效應(yīng)產(chǎn)生的馬氏體是裂紋擴展源的優(yōu)選位置，Biermann等[46]則認(rèn)為TRIP效應(yīng)生成的馬氏體相變會引起顯著的循環(huán)硬化，從而不利于疲勞壽命。總結(jié)亞穩(wěn)奧氏體組織不利于低周疲勞壽命的研究結(jié)果，其影響因素均歸結(jié)于亞穩(wěn)奧氏體帶來的顯著加工硬化和循環(huán)硬化現(xiàn)象以及服役過程中脆性馬氏體相的生成。因此，在對含亞穩(wěn)奧氏體的鋼種進行抗疲勞壽命優(yōu)化時，應(yīng)謹(jǐn)慎考慮并避免這些現(xiàn)象的發(fā)生。

除此之外，Zhang等[47]也提出，亞穩(wěn)奧氏體組織的存在與低周疲勞的關(guān)系復(fù)雜。低周疲勞由于具有高應(yīng)力幅，大多數(shù)殘余奧氏體在疲勞裂紋萌生之前轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，新舊馬氏體兩相間的彈性失配導(dǎo)致界面附近的局部塑性應(yīng)變高，成為裂紋源頭，引發(fā)多個疲勞裂紋萌生點，這不利于疲勞壽命。此外，由于裂紋的貫通使裂紋擴展路徑偏轉(zhuǎn)，阻礙裂紋擴展過程，有利于疲勞壽命。因此，Zhang等[47]研究結(jié)果表明，亞穩(wěn)奧氏體對疲勞壽命的影響由競爭性機制所決定，當(dāng)阻礙裂紋擴展作用大于誘發(fā)裂紋萌生作用時，亞穩(wěn)奧氏體組織有利于疲勞壽命，反之則不利于疲勞壽命。

如上所述，亞穩(wěn)奧氏體含量對低周疲勞壽命的影響是很復(fù)雜的，特別是對于奧氏體含量相對較低的鋼[43]，很難得出簡單的定量關(guān)系。在大多數(shù)情況下，亞穩(wěn)奧氏體的存在有利于提高材料的疲勞壽命，而在某些實驗體系下則有著相反的結(jié)論，這是由于亞穩(wěn)奧氏體影響疲勞壽命的部分機制存在競爭性關(guān)系。例如，如果亞穩(wěn)奧氏體的TRIP效應(yīng)在循環(huán)加載服役過程中提供了一個連續(xù)的應(yīng)力幅穩(wěn)定過程，那么疲勞壽命將得到提高，在這種情況下，亞穩(wěn)奧氏體的存在起到了提升疲勞性能的積極作用；如果亞穩(wěn)奧氏體的TRIP效應(yīng)發(fā)生在應(yīng)變循環(huán)的初始階段，并導(dǎo)致顯著的加工硬化，則不利于疲勞性能的提升。

1.1.2 亞穩(wěn)奧氏體穩(wěn)定性與低周疲勞壽命的關(guān)系

通過上一節(jié)對亞穩(wěn)奧氏體體積分?jǐn)?shù)與疲勞壽命的關(guān)系分析可以發(fā)現(xiàn)，亞穩(wěn)奧氏體組織在疲勞服役過程中演變復(fù)雜，且影響疲勞壽命的機制具有多樣性、競爭性的特點。亞穩(wěn)奧氏體本身具有多種特征參量，其對疲勞壽命的影響不僅僅體現(xiàn)在亞穩(wěn)奧氏體含量上，亞穩(wěn)奧氏體穩(wěn)定性同樣是影響疲勞壽命的另一個重要因素，但亞穩(wěn)奧氏體穩(wěn)定性對低周疲勞壽命相關(guān)工作較少，本文主要針對亞穩(wěn)奧氏體形貌以及循環(huán)加載過程馬氏體相變量與疲勞壽命關(guān)系進行闡述。一直以來，亞穩(wěn)奧氏體穩(wěn)定性對低周疲勞的影響存在爭議。大多數(shù)研究[48,49,50,51,52]認(rèn)為，提高亞穩(wěn)奧氏體穩(wěn)定性、減小循環(huán)加載過程中馬氏體相變量，有利于改善低周疲勞壽命。

關(guān)于在同一體系下亞穩(wěn)奧氏體穩(wěn)定性對疲勞壽命影響的初步研究中，Kang等[50]通過不同淬火溫度、淬火時間得到相近含量但組織形貌不同的奧氏體組織，以研究奧氏體形貌與疲勞壽命的關(guān)系。如圖3[50]所示，320 ℃等溫樣品(僅含薄膜狀殘余奧氏體)較395 ℃等溫樣品(含薄膜狀和塊狀殘余奧氏體)有更高的疲勞壽命、更低的循環(huán)硬化率。這是由于塊狀奧氏體穩(wěn)定性低，在循環(huán)加載初期發(fā)生馬氏體相變，在后續(xù)持續(xù)加載過程中不能提供持續(xù)的循環(huán)應(yīng)力穩(wěn)定性；而320 ℃等溫樣品僅含有薄膜狀奧氏體，具有較高的穩(wěn)定性，在循環(huán)加載過程中逐漸發(fā)生相變，提供了優(yōu)異的應(yīng)力循環(huán)穩(wěn)定性，最終表現(xiàn)為薄膜狀奧氏體組織較塊狀奧氏體組織對疲勞壽命更有利。除了從循環(huán)應(yīng)力角度考慮，Zhang等[47]通過觀察TRIP馬氏體時效鋼中的裂紋萌生位置、擴展路徑和斷口，探究了奧氏體形貌對疲勞裂紋擴展阻力的影響。結(jié)果表明，在加載初期，薄膜狀奧氏體硬度較高，不容易因軟/硬相應(yīng)力應(yīng)變分配而產(chǎn)生局部應(yīng)力集中，可有效阻礙裂紋源萌生，從而有利于提高低周疲勞壽命。可見，循環(huán)加載過程力學(xué)響應(yīng)演變以及組織變化的相關(guān)研究均表明，提高亞穩(wěn)奧氏體穩(wěn)定性有利于提高低周疲勞壽命。

圖3   不同奧氏體形態(tài)試樣的應(yīng)力幅[50]

除此之外，為了排除基體組織以及初始奧氏體含量差異對疲勞壽命的影響，Smaga等[53]針對3種奧氏體不銹鋼(AISI304、AISI321、AISI348)進行了低周疲勞實驗，并在疲勞服役過程中采用磁性法無損檢測奧氏體含量變化，并以馬氏體含量變化表征其穩(wěn)定性，隨著疲勞循環(huán)周次增多馬氏體體積分?jǐn)?shù)增加量越少則相應(yīng)的奧氏體組織越穩(wěn)定。3種奧氏體不銹鋼在整個測試應(yīng)變振幅范圍內(nèi)，發(fā)生的循環(huán)變形行為不同，根據(jù)文獻[53]繪制不同應(yīng)變振幅下的應(yīng)力振幅和循環(huán)次數(shù)以及不同疲勞周次下馬氏體體積分?jǐn)?shù)曲線，如圖4所示。可以看出，循環(huán)加載初期AISI304鋼顯示出循環(huán)硬化，歸結(jié)于奧氏體中位錯密度的增加；然后是循環(huán)軟化；在循環(huán)軟化階段之后，發(fā)生二次循環(huán)硬化，較弱的二次循環(huán)硬化歸結(jié)于α'-馬氏體的形成。而不穩(wěn)定的AISI348鋼的循環(huán)變形行為基本上由形變誘導(dǎo)α'-馬氏體形成所決定，在服役初期即產(chǎn)生馬氏體相變，導(dǎo)致持續(xù)的加工硬化。整個加載過程中AISI304鋼展現(xiàn)出了優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性，最終體現(xiàn)為更長的疲勞壽命。在低周疲勞循環(huán)加載過程中，雖然亞穩(wěn)奧氏體的TRIP行為有助于抵抗循環(huán)軟化現(xiàn)象，但是不穩(wěn)定奧氏體導(dǎo)致的大量的馬氏體相變帶來過于顯著的加工硬化亦不利于低周疲勞性能。而奧氏體穩(wěn)定性介于AISI304、AISI348之間的AISI321不銹鋼力學(xué)響應(yīng)則同樣介于AISI304、AISI348之間，可見，奧氏體穩(wěn)定性對低周疲勞性能起關(guān)鍵影響作用。綜上可知，盡管基體組織存在差異、解釋機理存在爭議，但現(xiàn)象卻是存在共性的。不同穩(wěn)定性奧氏體組織對疲勞性能的影響存在差異，穩(wěn)定性低的奧氏體不利于低周疲勞性能，而穩(wěn)定性高的奧氏體利于低周疲勞性能。例如多相鋼中的亞穩(wěn)奧氏體形貌直接影響到疲勞性能，薄膜狀奧氏體有利于疲勞性能，而塊狀奧氏體則不利于疲勞壽命。

圖4   根據(jù)文獻[53]得到的不同應(yīng)變振幅下的應(yīng)力振幅和循環(huán)次數(shù)以及不同疲勞周次下馬氏體體積分?jǐn)?shù)

然而，也有研究[54,55]表明，具有不穩(wěn)定奧氏體組織的上貝氏體鋼和AISI348不銹鋼具有更優(yōu)異的低周疲勞壽命，如圖5[54,55]所示。Zhang等[54]的研究認(rèn)為，塊狀奧氏體有利于疲勞壽命，軟相奧氏體組織在較高塑性應(yīng)變幅度下帶來更長的疲勞壽命。雖然高穩(wěn)定性的薄膜狀殘余奧氏體有利于阻止裂紋擴展，但塊狀殘余奧氏體容易轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，帶來高的相容變形能力。另一方面，不穩(wěn)定的塊狀殘余奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，吸收一定的能量，并且形變誘發(fā)馬氏體相變(deformation induced martensite transformation，DIMT)過程伴隨著體積的增大，產(chǎn)生壓應(yīng)力，其中殘余壓應(yīng)力可促使裂紋尖端閉合。盡管大多數(shù)研究均表明塊狀奧氏體的存在從諸多角度不利于疲勞性能，但Zhang等[54]的研究體系中，塊狀奧氏體所帶來的有利影響顯著大于這些不利因素，進而表現(xiàn)出優(yōu)良的疲勞壽命。奧氏體對疲勞性能影響機制的競爭性，決定了奧氏體對疲勞性能的影響不僅僅只考慮自身奧氏體組織特征，還應(yīng)該基于具體基體組織以及服役工況。基于多個影響因素進行奧氏體組織是否有利于疲勞壽命的評估，更具有可靠性。

圖5   應(yīng)力振幅隨循環(huán)次數(shù)的變化[54,55]

總之，大部分研究認(rèn)為高穩(wěn)定性奧氏體組織在低周疲勞過程中起著積極的作用、低穩(wěn)定性奧氏體組織不利于低周疲勞壽命；少數(shù)體系中的研究則表明不穩(wěn)定的奧氏體組織同樣起到積極作用。奧氏體對低周疲勞壽命的競爭性影響機制下，期望奧氏體引起以下效應(yīng)：(1) 首先，在循環(huán)加載過程中，奧氏體將提供持續(xù)的應(yīng)力循環(huán)穩(wěn)定。如果奧氏體的TRIP效應(yīng)發(fā)生在應(yīng)變循環(huán)的初始階段，會導(dǎo)致顯著的加工硬化，對疲勞性能不利；(2) DIMT產(chǎn)物馬氏體不能因其本身脆性或者其與基體的應(yīng)力應(yīng)變配分不協(xié)調(diào)，成為裂紋源或者成為裂紋易擴展的路徑；(3) 期望TRIP行為可以帶來更多的裂紋閉合效應(yīng)。

1.2 高周疲勞下的亞穩(wěn)奧氏體組織特征影響

1.2.1 亞穩(wěn)奧氏體含量對高周疲勞強度的影響

大多數(shù)研究[4,5,8,56,57]表明，在高周疲勞條件下，疲勞強度與奧氏體含量呈正相關(guān)，如圖6[4,5,8,56,57]所示。亞穩(wěn)奧氏體含量增加對高周疲勞強度產(chǎn)生有利影響可以從裂紋萌生和裂紋擴展2個角度解釋。

圖6   奧氏體含量與疲勞強度關(guān)系[4,5,8,56,57]

首先，從裂紋萌生方面考慮，文獻[46,56,57,59,60]認(rèn)為，在TRIP行為發(fā)生之前，fcc結(jié)構(gòu)的奧氏體比bcc結(jié)構(gòu)的基體具有更多的滑移系，可以減緩位錯的纏結(jié)行為，更有效地適應(yīng)局部塑性變形，最終達到減小局部應(yīng)力集中、推遲裂紋源萌生的作用。此外，Wang等[61]認(rèn)為，奧氏體組織可以在循環(huán)加載過程中吸收相鄰基體的可移動位錯(稱為DARA行為)，位錯的纏結(jié)通常被認(rèn)為是疲勞裂紋源萌生的主要原因之一，可動位錯的吸附有利于抑制疲勞裂紋的萌生，增強基體的變形能力，進而提高疲勞強度。在后續(xù)的持續(xù)循環(huán)加載過程中，部分亞穩(wěn)奧氏體組織逐漸發(fā)生形變誘發(fā)馬氏體相變行為，相變過程所伴隨的體積膨脹[46]、阻礙位錯運動[46]、相變吸收能量[54]以及增強鋼的強度[58]等現(xiàn)象，都顯著抑制裂紋源的萌生。綜上，大量奧氏體組織在裂紋萌生前產(chǎn)生作用的定性結(jié)果認(rèn)為奧氏體有利于阻礙裂紋的萌生，而理論解釋眾說紛紜，這主要與疲勞持續(xù)加載過程中組織原位觀察的困難性以及服役工況的復(fù)雜性有關(guān)。疲勞裂紋萌生前的亞穩(wěn)奧氏體演變過程以及奧氏體組織演變對裂紋源影響的定量關(guān)系，值得進一步深入研究。

相較于裂紋萌生，文獻[47,56,57]則認(rèn)為亞穩(wěn)奧氏體的TRIP行為主要在裂紋擴展過程中影響疲勞強度，認(rèn)為循環(huán)加載過程中的TRIP效應(yīng)可以降低疲勞裂紋擴展速率，主要原因歸結(jié)于馬氏體相變行為所帶來的能量吸收、釋放部分應(yīng)力，并且在馬氏體相變過程中由體積膨脹引入壓應(yīng)力[57]。Abareshi和Emadoddin[57]認(rèn)為，在疲勞加載過程中，TRIP鋼中殘余奧氏體向馬氏體的應(yīng)力誘導(dǎo)相變發(fā)生在裂紋前方，從而影響裂紋的擴展。較高含量的殘余奧氏體為疲勞裂紋擴展產(chǎn)生更多障礙，因此改善了疲勞強度。影響疲勞裂紋擴展的解釋機理多與影響裂紋萌生的理論解釋相似，而奧氏體組織在裂紋萌生/擴展階段影響疲勞強度的對比研究仍然處于缺失狀態(tài)。

與大多數(shù)研究結(jié)論存在差異的是，Zhang等[47]認(rèn)為，亞穩(wěn)奧氏體的體積分?jǐn)?shù)并不是影響高周疲勞強度的重要因素，亞穩(wěn)奧氏體含量的增加不能顯著提高相變誘發(fā)裂紋閉合(transformation induced crack closure，TICC)的現(xiàn)象。文獻[48,62,63]的研究則表明，亞穩(wěn)奧氏體的體積分?jǐn)?shù)與高周疲勞強度呈現(xiàn)負相關(guān)關(guān)系，然而并沒有給出相應(yīng)的理論解釋。

綜上，可從裂紋萌生以及裂紋擴展角度分別考慮亞穩(wěn)奧氏體含量對疲勞強度的影響，盡管亞穩(wěn)奧氏體含量對疲勞強度影響的作用機理存在很大差異，比如在裂紋萌生之前，亞穩(wěn)奧氏體起到的作用更多是協(xié)調(diào)塑性變形，吸收可動位錯等作用；而在疲勞擴展過程中影響疲勞性能更多的可能是TRIP效應(yīng)。在大多數(shù)研究均認(rèn)為疲勞強度主要取決于疲勞裂紋萌生[64]的前提下，亞穩(wěn)奧氏體所帶來的TRIP效應(yīng)在疲勞服役過程中的作用機制值得進一步研究。

1.2.2 亞穩(wěn)奧氏體穩(wěn)定性對高周疲勞強度的影響

亞穩(wěn)奧氏體含量對高周疲勞強度的影響存在差異，這與亞穩(wěn)奧氏體穩(wěn)定性對高周疲勞強度的影響不無關(guān)聯(lián)。匯總亞穩(wěn)奧氏體穩(wěn)定性與高周疲勞強度的結(jié)果如圖7[47,48,59,65,66]所示。其中橫坐標(biāo)顏色深淺表示亞穩(wěn)奧氏體穩(wěn)定性變化，顏色越深則穩(wěn)定性越高，不同形狀符號表示了影響亞穩(wěn)奧氏體穩(wěn)定性的因素不同，相同形狀的符號尺寸越大表示相應(yīng)的變量數(shù)值越大。大多數(shù)研究表明，提高奧氏體穩(wěn)定性的措施，比如：減小晶粒尺寸[48,65]、增加長徑比[47,59,60]或者增加奧氏體中奧氏體穩(wěn)定性元素的合金元素含量[66]均有利于提高高周疲勞強度，而究其機理，亦可從裂紋萌生和擴展2個方面分別探討。

圖7   亞穩(wěn)奧氏體穩(wěn)定性與疲勞強度的關(guān)系[47,48,59,65,66]

在亞穩(wěn)奧氏體穩(wěn)定性對疲勞裂紋擴展影響的研究中，Haidemenopoulos等[66]進行了不同C含量的奧氏體組織對疲勞強度影響研究。結(jié)果表明，高穩(wěn)定性奧氏體的TRIP行為發(fā)生在裂紋萌生后，有利于阻止疲勞裂紋的擴展。從裂紋萌生的角度考慮，Kula等[48]進行的不同晶粒尺寸奧氏體對疲勞強度的影響研究認(rèn)為，大尺寸奧氏體晶粒在彈性變形下更容易轉(zhuǎn)變?yōu)榇嘈择R氏體，從而成為裂紋源，因此大尺寸奧氏體不利于疲勞強度。Zhao等[60]通過觀察斷口形貌，發(fā)現(xiàn)微小孔洞在貝氏體內(nèi)形成而未在奧氏體周圍形成，認(rèn)為裂紋源的生成由貝氏體內(nèi)微小孔洞的長大、粗化所致；并且同時發(fā)現(xiàn)了塑性變形的帶狀奧氏體，認(rèn)為塑性變形的薄膜狀奧氏體在疲勞過程中吸收能量、提供更多滑移帶、鈍化裂紋尖端從而有利于提高疲勞強度。同樣，為了研究奧氏體形貌對疲勞強度影響，并降低夾雜物對超高周疲勞強度的影響，Gao等[59]通過電渣重熔處理弱化夾雜物對疲勞性能的影響，采用電子背散射衍射(EBSD)觀察斷口，并基于微裂紋長度計算裂紋萌生區(qū)(fine-granular-area，F(xiàn)GA)附近的應(yīng)力強度因子。結(jié)果表明，由殘余奧氏體轉(zhuǎn)變而來的塊狀馬氏體是裂紋的萌生點，不穩(wěn)定奧氏體有成為裂紋源的傾向。綜上所述，通過對晶粒尺寸、晶粒形貌改變奧氏體穩(wěn)定性條件下的奧氏體穩(wěn)定性與疲勞裂紋萌生的分析，大多數(shù)研究認(rèn)為提高奧氏體穩(wěn)定性有利于疲勞強度。針對眾多的奧氏體穩(wěn)定性調(diào)控手段，如降低晶粒尺寸、提高奧氏體內(nèi)合金元素含量、提高奧氏體長徑比，哪一種手段更有利于提高疲勞強度是需要進一步關(guān)注的問題。

與奧氏體穩(wěn)定性與高周疲勞強度正相關(guān)的研究結(jié)果不同，存在少數(shù)研究[67]認(rèn)為，不穩(wěn)定奧氏體比穩(wěn)定奧氏體更有利于改善高周疲勞強度，如圖8[67]所示。Hilgendorff等[67]在低應(yīng)力振幅下研究了具有較低穩(wěn)定性(304L)和較高穩(wěn)定性(316L)的奧氏體相的不銹鋼(采用Md30來表征奧氏體的穩(wěn)定性，即在30%應(yīng)變條件下，50%奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體的溫度，Md30越低奧氏體機械穩(wěn)定性越高)的高周疲勞強度。結(jié)果表明，304L不銹鋼中的奧氏體組織具有良好的協(xié)調(diào)變形能力和高均勻伸長率，同時在循環(huán)加載期間不穩(wěn)定的奧氏體發(fā)生馬氏體相變，降低整體塑性應(yīng)變振幅從而影響材料的循環(huán)變形，防止裂紋萌生，最終導(dǎo)致在較低的塑性應(yīng)變幅度下的長疲勞壽命。與亞穩(wěn)奧氏體鋼304L相比，更穩(wěn)定的奧氏體鋼316L的疲勞強度較差，這也可以與鋼中位錯運動可逆性的降低相關(guān)聯(lián)。因此，奧氏體不銹鋼304L顯示出優(yōu)異的高周疲勞強度。Hilgendorff等[67]的觀點與先前大多數(shù)研究結(jié)果相反，這是否與基體組織為單一奧氏體有關(guān)尚存在爭議。

圖8   3種不同穩(wěn)定性奧氏體不銹鋼的S-N曲線[67]

綜上所述，關(guān)于亞穩(wěn)奧氏體組織和高周疲勞強度的研究結(jié)果指出：奧氏體在高周疲勞中的作用機理是多種多樣的。對于多相鋼(泛指例如B+F+RA、M+B+RA等包含多相的鋼種)，提高奧氏體的含量或穩(wěn)定性有利于提高鋼的疲勞強度。而針對部分特殊體系，例如全奧氏體組織體系，不穩(wěn)定的奧氏體組織也可能對應(yīng)著良好的疲勞性能。

1.3 疲勞性能影響因素的綜合分析

奧氏體作用于疲勞性能的影響機制繁多，現(xiàn)將已有文獻中的觀點及解釋機理整理如表1[29,33,40,42,43,44,45,46,47,48,49,54,56,57,58,59,60,61,62,63,65,67]所示。

表1   奧氏體組織特征對疲勞性能影響匯總

2 亞穩(wěn)奧氏體組織特征與疲勞性能的定量描述

如前所述，由于其服役過程中奧氏體組織演變的復(fù)雜性，對低/高周疲勞性能的影響復(fù)雜，因此現(xiàn)有理論解釋機制是具有競爭性的，影響疲勞性能的關(guān)鍵奧氏體組織特征因素也尚不明確。為了尋找影響疲勞性能的關(guān)鍵奧氏體組織特征，本節(jié)利用Pearson相關(guān)系數(shù)，結(jié)合機器學(xué)習(xí)計算策略，以文獻數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，進行信息的深入挖掘并獲得定量化規(guī)律。由于支持向量機(support vector machine，SVM)和反向傳播神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(back-propagation neural network，BPNN)結(jié)構(gòu)簡單、可塑性強，并且具有優(yōu)異的多維數(shù)據(jù)分析能力[68,69,70,71]，因此本研究中的機器學(xué)習(xí)算法主要采用SVM和BPNN。

低周疲勞部分利用Pearson相關(guān)系數(shù)，結(jié)合堆垛層錯能(γSF)以及奧氏體Md30經(jīng)驗公式，對奧氏體穩(wěn)定性與低周疲勞壽命的定量關(guān)系進行分析。高周疲勞部分則利用機器學(xué)習(xí)(SVM、BPNN)對統(tǒng)計的文獻數(shù)據(jù)進行分類，根據(jù)訓(xùn)練集的精度，分析奧氏體組織特征與疲勞強度的關(guān)聯(lián)度。

2.1 亞穩(wěn)奧氏體組織特征與低周疲勞壽命的定量表述

針對奧氏體穩(wěn)定性對奧氏體不銹鋼低周疲勞性能的影響，采用經(jīng)驗公式計算了19種奧氏體不銹鋼[72]的γSF和Md30，并將其作為衡量奧氏體穩(wěn)定性的定量化參數(shù)。其中γSF對奧氏體穩(wěn)定性影響的研究均表明：隨著γSF的升高奧氏體在應(yīng)變下的變形機制逐漸由TRIP行為轉(zhuǎn)變?yōu)閷\晶誘發(fā)塑性(TWIP)行為和剪切帶誘發(fā)塑性行為(SIP)[73]；γSF越高越不容易發(fā)生馬氏體相變，即奧氏體穩(wěn)定性升高[74,75]。

γSF和Md30的計算方法眾多，本工作采取文獻中相關(guān)經(jīng)驗公式，基于化學(xué)成分對γSF和Md30進行簡單估算。由于此類經(jīng)驗公式的普適性可能存在差異，對γSF的計算選取了2種經(jīng)驗公式，用下標(biāo)a和b區(qū)分，分別如式(1)和(2)[76]所示：

γSFa=?53+6.2[%Ni]+0.7[%Cr]+3.2[%Mn]+9.3[%Mo] (mJ?m?2)(1)

γSFb=1.2+1.4[%Ni]+0.6[%Cr]+1.77[%Mn]?44.7[%Si] (mJ?m?2)(2)

式中，[%X]表示某元素X的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

對于Md30的計算分別如式(3)~(6)[77]所示，用下標(biāo)a~d區(qū)分：

Md30a=413?462([%C]+[%N])?9.2[%Si]?8.1[%Mn]?13.7[%Cr]?9.5[%Ni]?18.5[%Mo] (3)

Md30b=497?462([%C]+[%N])?9.2[%Si]?8.1[%Mn]?13.7[%Cr]?20[%Ni]?18.5[%Mo](4)

Md30c=551?462([%C]+[%N])?9.2[%Si]?8.1[%Mn]?13.7[%Cr]?29([%Ni]+[%Cu])?18.5[%Mo]?68[%Nb](5)

Md30d=608?515[%C]?821[%N]?7.8[%Si]?12[%Mn]?13[%Cr]?34[%Ni]?6.5[%Mo](6)

奧氏體的γSF、Md30與低周疲勞壽命間具有變量觀測值成對且每對觀測值之間相互獨立的特點，與Pearson相關(guān)性系數(shù)對變量的要求有較好的契合度。因此選取Pearson相關(guān)性系數(shù)用以表征γSF、Md30與低周疲勞壽命關(guān)系的密切程度。選用Pearson相關(guān)性系數(shù)具有以下優(yōu)點：(1) 它可以明確告知正相關(guān)或負相關(guān)關(guān)系(Pearson相關(guān)系數(shù)取值范圍是[-1, 1]，0代表無相關(guān)性，負值為負相關(guān)，正值為正相關(guān))；(2) Pearson相關(guān)性系數(shù)對相關(guān)程度的變化敏感。Pearson相關(guān)性系數(shù)(ρXY)計算公式[78]如下式所示：

ρXY=Cov(X, Y)D(X)√D(Y)√=E((X?EX)(Y?EY))D(X)√D(Y)√ (7)

式中，E為數(shù)學(xué)期望，D為方差，Cov(X, Y)為協(xié)方差，2個變量X、Y之間的協(xié)方差和標(biāo)準(zhǔn)差的商則稱為隨機變量X與Y的相關(guān)系數(shù)ρXY。

不同經(jīng)驗公式下奧氏體的γSF、Md30與低周疲勞壽命Pearson相關(guān)性系數(shù)的計算結(jié)果如圖9所示。計算結(jié)果表明：(1) γSFa、γSFb均體現(xiàn)出了與疲勞壽命正相關(guān)的關(guān)系，表明提高奧氏體穩(wěn)定性有利于提升疲勞壽命。如前所述，隨著γSF的改變馬氏體相變路徑也隨之發(fā)生改變[73]，通過提升γSF主動調(diào)控馬氏體相變路徑或許是提高疲勞壽命的有效途徑之一，值得進一步深入研究、證實；(2) γSFa、γSFb下的疲勞壽命Pearson相關(guān)系數(shù)存在數(shù)值差異，但是均大于Md30下疲勞壽命Pearson相關(guān)系數(shù)，γSF的計算結(jié)果可以與疲勞壽命建立更為相關(guān)的聯(lián)系。這表明奧氏體組織對疲勞壽命的影響不僅局限于馬氏體相變體積分?jǐn)?shù)，更應(yīng)該兼顧相變路徑和轉(zhuǎn)變產(chǎn)物；(3) Md30下的疲勞壽命Pearson相關(guān)系數(shù)均小于0.1，一方面可能與Md30經(jīng)驗公式的普適性有關(guān)，另一方則可能是Md30與疲勞壽命相關(guān)性較低；(4) 式(1)計算得到的γSFa與低周疲勞壽命具有良好的正相關(guān)匹配關(guān)系，ρXY=0.4157 (中等程度相關(guān))；(5) 所有奧氏體γSF、Md30與低周疲勞壽命Pearson相關(guān)系數(shù)均較低，可能與單一基于成分的γSF、Md30經(jīng)驗公式不能很好地表征奧氏體穩(wěn)定性有關(guān)。更為精準(zhǔn)的奧氏體穩(wěn)定性參數(shù)計算，特別是奧氏體γSF計算，可以進一步促進奧氏體γSF與疲勞壽命之間聯(lián)系的精準(zhǔn)分析，提高基于奧氏體γSF的疲勞壽命評估、預(yù)測的可靠性。

圖9   不同經(jīng)驗公式下奧氏體的堆垛層錯能(γSF)、30%應(yīng)變條件下50%奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體的溫度(Md30)與低周疲勞壽命Pearson相關(guān)性系數(shù)(ρXY)的關(guān)系

前人進行了大量關(guān)于亞穩(wěn)奧氏體穩(wěn)定性與疲勞壽命關(guān)系的實驗研究，但實際上殘余奧氏體穩(wěn)定性的評價參數(shù)繁多(Md30[77]、馬氏體轉(zhuǎn)變的起始溫度Ms[79,80]、奧氏體機械穩(wěn)定性k值[81]、應(yīng)力作用下發(fā)生馬氏體相變的溫度Mσs[82])，同一奧氏體組織采用不同評價方法所得的奧氏體穩(wěn)定性不一定相同，在深入分析亞穩(wěn)奧氏體穩(wěn)定性對疲勞壽命影響時，需要進行更為可靠的亞穩(wěn)奧氏體穩(wěn)定性定量表征。從計算結(jié)果可以得知，與Md30相比，采用γSF進行奧氏體穩(wěn)定性評價可以將奧氏體穩(wěn)定性與疲勞壽命建立中等程度相關(guān)的正相關(guān)關(guān)系。而Ms、k值、Mσs與疲勞壽命關(guān)系的定量建立還需進一步深入研究。更進一步，隨著對奧氏體穩(wěn)定性研究的深化，整合Md30、Ms、k值、Mσs，得到歸一化的奧氏體穩(wěn)定性評價參數(shù)，可能是更好地建立奧氏體穩(wěn)定性與疲勞壽命關(guān)系的可行手段之一。

2.2 亞穩(wěn)奧氏體組織特征與高周疲勞強度的定量表述

將文獻數(shù)據(jù)中奧氏體內(nèi)C含量相近的材料進行歸納，并分別計算相應(yīng)的Pearson相關(guān)系數(shù)，從而按分類結(jié)果分析奧氏體含量對高周疲勞強度的影響，結(jié)果如圖10[4,5,28,57,59,60,66,83,84,85,86,87,88,89,90,91,92,93,94,95,96]所示。可以看出，首先，絕大多數(shù)情況下奧氏體體積分?jǐn)?shù)與疲勞強度的Pearson相關(guān)系數(shù)均大于0.5，表明奧氏體含量與高周疲勞強度有較為緊密的正相關(guān)關(guān)系，這一結(jié)論與之前大多數(shù)文獻[46,56,57,58]的理論解釋相一致。但是，在整個奧氏體體積分?jǐn)?shù)對高周疲勞強度影響的結(jié)果中，數(shù)據(jù)點較為分散，這可能源于其它參數(shù)的影響(比如：應(yīng)力比、加載方式)；然而在眾多影響因素對高周疲勞性能共同影響的前提下，依然可以發(fā)現(xiàn)奧氏體體積分?jǐn)?shù)與高周疲勞強度有著中等程度相關(guān)的正相關(guān)關(guān)系，最終導(dǎo)致Pearson相關(guān)系數(shù)約為0.5。其次，根據(jù)C含量對數(shù)據(jù)進行分類計算發(fā)現(xiàn)，不同C含量下，奧氏體體積分?jǐn)?shù)對高周疲勞強度的影響存在顯著差異，尤其當(dāng)C含量為(1.0±0.06)%時，盡管整體趨勢呈現(xiàn)出奧氏體含量與高周疲勞強度的正相關(guān)關(guān)系，而計算得到的Pearson相關(guān)系數(shù)極低(0.18)，這一特殊結(jié)果主要歸因于奧氏體含量為23.8% (體積分?jǐn)?shù))時的奇異點影響，這一實驗結(jié)果有待進一步分析。

圖10   高周疲勞強度與奧氏體含量的關(guān)系

疲勞實驗具有實驗周期長的特點，這導(dǎo)致獲取大量成體系的疲勞實驗數(shù)據(jù)存在困難，現(xiàn)有高質(zhì)量奧氏體組織特征與疲勞性能數(shù)據(jù)數(shù)量較少，因此本研究只初步進行了以上所述的相關(guān)性分析。同時，由于數(shù)據(jù)樣本維度限制，本研究單純依據(jù)奧氏體內(nèi)C含量對奧氏體穩(wěn)定性進行大致劃分，并沒有考慮到奧氏體尺寸、晶粒形貌對穩(wěn)定性的影響。隨著奧氏體組織與疲勞性能研究的進一步擴大與深入，數(shù)據(jù)數(shù)量擴大的同時對數(shù)據(jù)維度進行擴充，可以使疲勞樣本庫得到進一步豐富，從而得到更為系統(tǒng)、可靠的奧氏體組織特征與疲勞性能數(shù)據(jù)庫。未來數(shù)據(jù)庫的豐富與健全將極大地促進對奧氏體特征與疲勞強度關(guān)系分析的進一步深化。

同時，利用機器學(xué)習(xí)方法建立了不同輸入?yún)⒘拷M合(奧氏體體積分?jǐn)?shù)、奧氏體內(nèi)C含量、奧氏體組織消耗C的質(zhì)量分?jǐn)?shù)、延伸率、拉伸強度、屈服強度)與疲勞強度之間的定量關(guān)系。本研究使用了具有優(yōu)異的多維數(shù)據(jù)分析能力的SVM和BPNN模型，根據(jù)不同參數(shù)組合與疲勞強度之間建立的模型性能，表征輸入?yún)⒘颗c疲勞強度之間關(guān)聯(lián)性的強弱。為了規(guī)避小樣本下訓(xùn)練集與測試集劃分對模型性能的影響，將訓(xùn)練集隨機訓(xùn)練100次取其均值及方差作為模型性能的評價指標(biāo)。針對45組數(shù)據(jù)樣本進行計算，圖11為不同輸入?yún)⒘吭赟VM與BPNN計算方法下與疲勞強度的平均相關(guān)系數(shù)(R2)。首先可以發(fā)現(xiàn)，在2種計算方法下，考慮不同因素作為輸入進行計算時，計算R2波動范圍較大(0.03~0.98)，且誤差帶范圍也存在差異，這說明不同輸入?yún)⒘繉υu價疲勞強度影響存在顯著差異。但是2種不同算法中R2變化規(guī)律性趨勢相同。圖11a和b均表明，與奧氏體體積分?jǐn)?shù)以及奧氏體相消耗C質(zhì)量分?jǐn)?shù)相比，奧氏體內(nèi)C含量與疲勞強度之間有著更為緊密的相關(guān)聯(lián)系，定量地體現(xiàn)了奧氏體穩(wěn)定性比奧氏體體積分?jǐn)?shù)對疲勞強度的影響更為顯著。

圖11   根據(jù)支持向量機(SVM)和反向傳播神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(BPNN)計算的奧氏體體積分?jǐn)?shù)(fv)、奧氏體相內(nèi)C的質(zhì)量分?jǐn)?shù)(fm)及拉伸性能與疲勞強度的平均相關(guān)系數(shù)(R2)

圖11還顯示，單純以奧氏體體積分?jǐn)?shù)作為輸入時，其與疲勞強度的相關(guān)度很低。這說明單純考慮奧氏體體積分?jǐn)?shù)是不能完全反映奧氏體對疲勞強度影響的。隨著輸入?yún)⒘吭龆啵琑2顯著增大，這說明疲勞強度不是僅受單一主導(dǎo)因素影響，而是由很多貢獻相近的影響因素綜合作用的結(jié)果，在評估疲勞強度時需綜合考慮各個影響因素，這與Yu等[97]的實驗結(jié)果相符。同時，2種機器學(xué)習(xí)計算結(jié)果均表明：與奧氏體組織特征作為輸入?yún)⒘肯啾龋Ｒ?guī)拉伸性能參數(shù)(屈服強度、拉伸強度、延伸率)作為輸入?yún)⒘颗c疲勞強度有更為優(yōu)異的相關(guān)性(SVM計算方法下R2=0.827)。這證明了大量力學(xué)領(lǐng)域研究中建立的傳統(tǒng)疲勞強度與拉伸性能間的經(jīng)驗/半經(jīng)驗公式具有良好的可靠性。然而，機器學(xué)習(xí)計算結(jié)果也顯示出，單純以常規(guī)拉伸性能作為輸入?yún)⒘縼碓u估疲勞強度時，計算誤差范圍可高達0.1 (SVM)，這表明拉伸性能作為輸入帶來的結(jié)果會隨體系的變動產(chǎn)生較大的波動。同時BPNN和SVM 的計算結(jié)果均表明，在拉伸性能作為輸入?yún)⒘康幕A(chǔ)上加入奧氏體組織特征的影響，可以與疲勞強度間體現(xiàn)出更為密切的關(guān)聯(lián)性，R2=0.983 (SVM)、R2=0.639 (BPNN)。因此，在考慮力學(xué)性能的基礎(chǔ)上進一步考慮組織因素可以更好地反映疲勞強度的演化機理和客觀規(guī)律。基于單一拉伸性能作為輸入?yún)⒘亢屠煨阅荞詈辖M織作為輸入?yún)⒘康膶Ρ妊芯堪l(fā)現(xiàn)，疲勞強度是拉伸性能和組織耦合影響的結(jié)果，這也進一步佐證考慮奧氏體組織對于疲勞強度的影響至關(guān)重要。

對比圖11a與b可知，SVM計算得到的關(guān)聯(lián)度更高，不僅體現(xiàn)在更高的R2，SVM計算結(jié)果的誤差變化范圍也更為收斂。這可能與SVM算法更適合多維度、小數(shù)據(jù)量樣本有關(guān)，因此可以推測，SVM能更精準(zhǔn)地反映各種輸入?yún)⒘颗c疲勞強度的關(guān)聯(lián)性。后續(xù)研究可以將SVM作為進一步深入探究奧氏體組織特征及拉伸性能與材料高周疲勞強度關(guān)系的有效計算手段之一。更為重要的是，雖然傳統(tǒng)力學(xué)性能與疲勞強度關(guān)系的建立具有一定可靠性，但是在此基礎(chǔ)上加入組織因素(比如夾雜物、析出相、亞穩(wěn)奧氏體)對疲勞強度的影響，可以更加精確地評估材料的疲勞強度。本文雖然分析了奧氏體組織特征對于疲勞強度的影響，但是由于數(shù)據(jù)數(shù)量的不足和數(shù)據(jù)質(zhì)量的差異，所建立的疲勞強度定量描述模型在預(yù)測精度方面尚有較大的提升空間。未來可進一步用實驗方法深入、定量表征奧氏體各影響因素對疲勞強度的影響，通過數(shù)據(jù)質(zhì)量與數(shù)量的提升，改善模型的預(yù)測精確度。同時，基于現(xiàn)有的數(shù)據(jù)分析，可得出奧氏體穩(wěn)定性是影響疲勞強度的關(guān)鍵組織因素的初步結(jié)論。因此，奧氏體穩(wěn)定性可作為對疲勞強度的組織影響因素研究中重點關(guān)注的方向。

3 結(jié)論和展望

本文揭示了先進鋼鐵材料中亞穩(wěn)奧氏體組織對疲勞壽命和疲勞強度的影響規(guī)律，闡述了奧氏體組織影響疲勞性能的作用機理。并且進一步以現(xiàn)有實驗結(jié)果為數(shù)據(jù)支撐，通過機器學(xué)習(xí)算法(支持向量機、反向傳播神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等)對亞穩(wěn)奧氏體組織特征與疲勞強度關(guān)系進行了定量化評估。

首先，亞穩(wěn)奧氏體含量/穩(wěn)定性對低周疲勞壽命的影響復(fù)雜，很難得出簡單的定量關(guān)系。在大多數(shù)情況下，亞穩(wěn)奧氏體的存在有利于提高材料的疲勞壽命，且高穩(wěn)定性奧氏體組織在低周疲勞過程中起著積極的作用。在奧氏體對疲勞性能的競爭性影響機制下，期望奧氏體引起以下效應(yīng)以提升低周疲勞壽命：(1) 循環(huán)加載過程中，奧氏體提供持續(xù)的應(yīng)力循環(huán)穩(wěn)定；(2) 奧氏體的相變誘發(fā)塑性(TRIP)行為帶來更多的裂紋閉合效應(yīng)。其次，亞穩(wěn)奧氏體組織特征對高周疲勞性能影響方面，大多數(shù)研究結(jié)果表明，疲勞強度與奧氏體含量呈正相關(guān)關(guān)系，提高奧氏體穩(wěn)定性的措施(減小晶粒尺寸、增加長徑比、增加奧氏體中奧氏體穩(wěn)定性元素的合金元素含量)均有利于提高高周疲勞強度。這歸結(jié)于亞穩(wěn)奧氏體組織所帶來的粗糙度誘發(fā)裂紋閉合效應(yīng)(RICC)、TRIP所帶來的吸收能量以及緩解應(yīng)力集中效應(yīng)、奧氏體組織吸收可動位錯(DARA)降低位錯纏結(jié)行為等。

基于現(xiàn)有實驗數(shù)據(jù)進行的亞穩(wěn)奧氏體含量與低周/高周疲勞性能的Pearson相關(guān)系數(shù)計算結(jié)果表明：提高奧氏體穩(wěn)定性有利于提升低周疲勞壽命，并且絕大多數(shù)情況下奧氏體含量與高周疲勞強度有較為緊密的正相關(guān)關(guān)系。在高周疲勞條件下機器學(xué)習(xí)的計算結(jié)果則表明：奧氏體穩(wěn)定性相較于奧氏體體積分?jǐn)?shù)對疲勞強度的影響更為顯著。

通過對已有研究的綜述，大量分析結(jié)果充分證明了亞穩(wěn)奧氏體組織對鋼鐵材料疲勞性能的關(guān)鍵影響作用。然而，由于疲勞性能評價時間周期長、成本高的特點以及奧氏體組織特征的復(fù)雜性，迄今為止，鋼中亞穩(wěn)奧氏體組織與疲勞性能關(guān)系的研究依然是難點與熱點問題。為了更為深入地探明鋼鐵材料的疲勞失效機理，并用以指導(dǎo)鋼鐵材料的組織優(yōu)化設(shè)計，在鋼中亞穩(wěn)奧氏體組織與疲勞性能關(guān)系的研究方向上尚有大量的核心問題亟待進一步深化闡明與分析。

(1) 明確亞穩(wěn)奧氏體組織影響疲勞性能的關(guān)鍵耦合機制。奧氏體作用于疲勞性能的影響機制繁多，例如發(fā)生在TRIP效應(yīng)之前奧氏體帶來的協(xié)調(diào)變形作用、吸收可動位錯、提供更多滑移系等，以及TRIP效應(yīng)過程中伴隨的能量吸收、裂紋鈍化、擴展路徑選擇等。然而在低周/高周疲勞服役過程中，亞穩(wěn)奧氏體組織的作用往往是多種機制耦合的復(fù)雜影響。因此，明晰奧氏體組織影響疲勞性能的關(guān)鍵耦合機制，可為鋼鐵材料中亞穩(wěn)奧氏體的精準(zhǔn)調(diào)控以及疲勞性能的優(yōu)化提供重要的理論依據(jù)。

(2) 定量化表征奧氏體晶粒長寬比、晶粒尺寸、奧氏體內(nèi)合金元素含量對疲勞性能影響。奧氏體穩(wěn)定性作為與疲勞性能關(guān)系密切的重要組織特征指標(biāo)之一，其本身又包含多種影響因素。長寬比、晶粒尺寸、奧氏體內(nèi)元素含量均是影響奧氏體穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素。而定量化表征奧氏體晶粒長寬比、晶粒尺寸、奧氏體內(nèi)合金元素含量對疲勞性能影響是建立更為精準(zhǔn)的奧氏體穩(wěn)定性與疲勞性能關(guān)系的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，更是實現(xiàn)針對疲勞性能提升的亞穩(wěn)奧氏體精準(zhǔn)調(diào)控的前提。同時，其可為鋼鐵材料疲勞時效機理分析提供關(guān)鍵的組織信息基礎(chǔ)。

(3) 建立高質(zhì)量奧氏體組織特征與疲勞性能數(shù)據(jù)庫。隨著數(shù)字化、信息化時代的到來，人工智能在各領(lǐng)域的應(yīng)用越來越受到重視，并逐漸成為材料研究領(lǐng)域重要的發(fā)展趨勢。自2011年材料基因組計劃提出以來，高通量計算與人工智能分析得到快速發(fā)展。而數(shù)據(jù)庫作為高通量計算與數(shù)據(jù)挖掘的前提基礎(chǔ)至關(guān)重要。更多的數(shù)據(jù)數(shù)量、更高的數(shù)據(jù)維度和質(zhì)量，有利于構(gòu)建更為精準(zhǔn)的模型。而現(xiàn)有奧氏體組織特征與疲勞性能數(shù)據(jù)尚未形成體系，難以構(gòu)建完整數(shù)據(jù)庫。其中奧氏體含量與低周疲勞性能的數(shù)據(jù)數(shù)量尤為匱乏；現(xiàn)有奧氏體穩(wěn)定性評價參數(shù)分門別類，奧氏體穩(wěn)定性參數(shù)歸一化關(guān)系的建立迫在眉睫。規(guī)范化、高質(zhì)量、大數(shù)量的奧氏體組織特征與疲勞性能數(shù)據(jù)庫的建立可以有效地推進鋼鐵材料疲勞性能集成計算設(shè)計的發(fā)展，進而縮短抗疲勞材料的研發(fā)周期并降低成本。

(4) 基于物理冶金學(xué)和人工智能算法耦合的疲勞性能的定量化評價和預(yù)估。疲勞性能測試的時間與資金成本特點導(dǎo)致了其數(shù)據(jù)積累的困難。因此，對鋼鐵材料疲勞性能的分析極有可能會在較長的時間里依然受到數(shù)據(jù)量的制約。因此，基于傳統(tǒng)人工智能策略的數(shù)據(jù)分析手段會在疲勞領(lǐng)域的小樣本環(huán)境下受到一定程度的限制。為了更好地建立疲勞性能的定量化評價和預(yù)估系統(tǒng)，需要在人工智能策略中有效地融入物理冶金機制，以物理冶金機理增強數(shù)據(jù)的信息量、優(yōu)化數(shù)據(jù)質(zhì)量，并指導(dǎo)人工智能分析，以進一步實現(xiàn)疲勞性能定量化評價和預(yù)估系統(tǒng)的穩(wěn)定性與可解釋性的提升。