《International Journal of Fatigue》：Effect of martensitic phase transformation on fatigue behavior of 316H stainless steel by surface mechanical rolling strengthening
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摘要马氏体相变对纳米结构316系列不锈钢疲劳行为的影响仍然是一个亟待解决的关键问题。在本研究中，采用表面机械滚压处理（SMRT）对316H不锈钢进行处理，制备了梯度纳米结构表面。纳米结构表层的平均晶粒尺寸约为32 nm，对应的马氏体体积分数约为77.9%，随深度增加逐渐变化至
摘要
马氏体相变对纳米结构316系列不锈钢疲劳行为的影响仍然是一个亟待解决的关键问题。在本研究中，采用表面机械滚压处理（SMRT）对316H不锈钢进行处理，制备了梯度纳米结构表面。纳米结构表层的平均晶粒尺寸约为32 nm，对应的马氏体体积分数约为77.9%，随深度增加逐渐变化至与原始粗晶（CG）316H不锈钢相当的水平。随后进行了全反向应变控制疲劳测试（R = -1），结果表明，SMRT工艺在特定应变幅范围内提高了疲劳性能，并观察到明显的拐点（应变幅为±0.60%），表明断裂机制发生了转变。与316 L不锈钢相比，SMRT处理后试样核心区域的变形诱导马氏体相变（DIMT）受到抑制，限制了疲劳强度的提升。
引言
不可预见的疲劳失效是限制工程结构和材料安全可靠性的关键问题，尤其是承受循环载荷的关键结构部件[1], [2]。尽管许多表面强化技术已被应用于提高合金和结构的疲劳抗力，但其疲劳强度和疲劳延性很难同时得到提升[3], [4]。为了实现强度和延性的协同效应，表面严重塑性变形（surface-SPD）技术，如喷丸、超声处理和滚压，通常被用于制备梯度纳米结构（GNS）材料[3], [7]。GNS材料是一种具有从表面到内部连续微观结构转变的异质结构材料。这种独特结构同时提供了表层（具有纳米晶或超细晶（UFG））的高强度和粗晶（CG）核心区的高延性。然而，表面SPD工艺也会增加表面粗糙度，导致局部应力集中并诱发材料过早开裂[8]。近年来，表面机械冲击处理（SMAT）[9]、表面机械磨削处理（SMGT）[10]和表面机械滚压处理（SMRT）[11]等表面机械处理方法是制备GNS材料已引起广泛重视，其中SMRT通常产生更厚且更平滑的GNS层[12]。在SMRT诱导的晶粒细化过程中，马氏体相的形成是一个主要特征，通过抑制裂纹萌生和延缓裂纹扩展速率来提高材料的疲劳抗力[12]。
在奥氏体钢循环变形过程中，有许多关于GNS层对疲劳性能增强因素的研究[17], [18], [19], [20]。例如，Huang等人研究了SMRT处理316 L试样在应力控制模式下的疲劳性能，发现GNS表层显著提高了低周疲劳（LCF）和高周疲劳（HCF）区域的疲劳强度。在应变控制疲劳测试中，GNS层也在奥氏体不锈钢中提供了优异的疲劳抗力[12]。Carneiro等人对SMRT形成的GNS表层316 L不锈钢进行了应变控制疲劳实验，观察到与粗晶不锈钢相比，疲劳强度和疲劳极限有所提高[18]。总之，SMRT工艺对奥氏体不锈钢疲劳性能的总体效果源于晶粒细化[17]、残余应力[15]和马氏体相变[21]的协同效应。为了进一步阐明马氏体在疲劳性能中的作用，Lei等人通过在不同温度下进行SMRT处理研究了不同的GNS表层：一种具有较高马氏体相体积分数（约84 vol%）的，另一种完全为奥氏体的，并提出在应变控制测试中，预先生成马氏体相在提高疲劳性能方面起着积极作用[20]。作为强化相，马氏体在提高奥氏体钢的整体疲劳强度和寿命方面起着关键作用[22]。具体而言，在GNS表层中，预先生成马氏体相导致显著的加工硬化，并通过抑制应变局部化提供抗裂纹萌生能力[11], [23]。局部硬化和压缩残余应力随后限制了疲劳裂纹的扩展[24]。
由于GNS钢的整体强化因素来源于表层晶粒细化区和内部原始材料的综合效应，核心区域的微观结构演化也对材料的整体疲劳性能产生显著影响。通过马氏体相变引起的晶体结构演化是含有亚稳奥氏体晶粒的高强钢在循环变形过程中的常见特征[25], [26]。GNS钢核心区域的变形诱导马氏体相变（DIMT）改变了变形行为并提高了疲劳强度。然而，马氏体相变能力与堆垛层错能（SFE）有关，而SFE受钢的化学成分、晶粒尺寸和温度的控制[27], [28]。对于奥氏体稳定性和SFE较高的亚稳不锈钢，在疲劳测试中马氏体难以形成[15]。此外，GNS钢中的宏观应变梯度产生多轴应力状态和残余应力，这使得核心区域中的马氏体形成机制更加复杂[17], [29]。奥氏体不锈钢，如316 L[13]、316H[14]和310S[15]，由于其优异的机械性能，常被选作表面SPD工艺的候选材料。其中，316H不锈钢中较高的碳含量有助于更强的奥氏体稳定性[16]，导致循环载荷下更复杂的马氏体相变行为。然而，大多数关于疲劳性能的先前研究都集中在GNS表层内的强化因素，所用材料往往具有高SFE或低SFE的奥氏体不锈钢。因此，SMRT对316H等中等SFE钢的疲劳性能和断裂机制转变的影响，尤其是核心区域的马氏体相变行为，仍需进一步深入研究。全面理解这种核心马氏体相变对于推动SMRT技术在工程领域关键部件中的应用具有重要意义。
在本研究中，对316H不锈钢表面进行了SMRT表面强化技术处理。在广泛的应变幅范围内进行了应变控制疲劳测试以获取疲劳行为。采用扫描电子显微镜（SEM）、电子背散射衍射（EBSD）和透射菊池衍射（TKD）对SMRT和CG试样进行了微观结构表征。比较并分析了SMRT处理试样和CG试样之间的疲劳寿命差异，随后讨论了表面强化对疲劳断裂机制的影响。
章节摘要
材料与试样制备
本研究采用来自中国的商业奥氏体316H不锈钢板，其元素成分（质量百分比）为：0.043C，1.35 Mn，0.58Si，17.58 Cr，11.58 Ni，0.058 N，2.56 Mo，其余为Fe。将钢板轧制后切割为尺寸为16 × 18 × 200 mm的块材用于试样加工。为拉伸和疲劳实验制备了圆柱形狗骨状试样。试样的标距长度和直径分别为15.0 mm和7.0 mm，参考
初始微观结构
图1(a)显示了原始316H钢试样在标距段的三个正交平面上的反极图（IPF）映射：轧制方向（RD）、横向（TD）和法向（ND）。从三个正交平面观察到等轴奥氏体晶粒和再结晶孪晶的均匀微观结构，在原始316H不锈钢中未发现强织构。ND、TD和RD方向的平均晶粒尺寸分别为15.76
堆垛层错能对马氏体相变行为的影响
如图8所示，SMRT处理后疲劳强度和疲劳寿命均有所提高。在塑性变形过程中，奥氏体基体倾向于转变为马氏体，变形诱导马氏体的形成对提高合金的加工硬化能力、应变局部化抗力和疲劳性能具有有益贡献[19], [32], [35]。对于具有面心立方结构的亚稳奥氏体不锈钢
结论
在本研究中，通过SMRT技术制备了具有GNS层的316H不锈钢试样。进行应变控制疲劳测试，以基于SEM、EBSD和TKD的表征揭示马氏体相变对疲劳性能和断裂机制的影响。得出以下结论。
- 1.
通过SMRT工艺在316H不锈钢表面制备了厚度约为400 μm的GNS层。在
CRediT作者贡献声明
王志强：撰写——初稿、方法论、调查、概念化。王陈宇：调查、数据整理。蒋雨怡：方法论、调查。阮立成：验证、资金获取。蔡智慧：项目管理、资金获取、数据整理。宋雨轩：撰写——审阅与编辑、方法论、调查、资金获取、概念化。金伟亚：监督、软件、项目管理、形式分析。高增亮：撰写——
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系，这些可能影响本报告中所述的工作。
致谢
作者感谢浙江省市场监督管理局科技计划项目（ZD2025018）、国家自然科学基金（52305168）、浙江省自然科学基金（LQ24E050020）和宁波市科技重点计划（2025S017）的资助。作者衷心感谢蒋燕尧教授在疲劳测试开展、实验
王志强|王陈宇|蒋雨怡|阮立成|蔡智慧|宋雨轩|金伟亚|高增亮
浙江理工大学机械工程学院工艺装备与控制工程学院，中国杭州 310014
