日本国立材料科学研究院(NIMS)一个研究小组发现，预先进行循环变形(疲劳)训练可提高钢的疲劳极限，并基于此开发出新颖的预疲劳训练技术，通过抑制裂纹萌生，使高强度钢疲劳极限提高了一倍。相关研究发表在《先进科学》杂志上。

疲劳极限指材料在低于该极限时能承受无限次或足够多载荷循环而不失效的应力水平，它与钢材抗拉强度成正比。不过，当抗拉强度超过1.4GPa时，进一步提高抗拉强度不会改善疲劳极限，反而会降低，即存在疲劳极限上限。以马氏体钢为代表的高强度钢，淬火状态下通常疲劳极限较低但强度最高，实际应用前常进行回火处理以提高疲劳性能，但这会牺牲强度。由于疲劳极限上限背后的详细机制尚不清楚，因此急需能克服该上限的材料设计策略。

研究团队将抗拉强度为1.6GPa的淬火马氏体钢的疲劳极限提高了一倍，突破了疲劳极限上限，这是通过在不会引起裂纹萌生的载荷条件下进行预疲劳训练实现的。深入分析表明，高强度钢疲劳裂纹萌生的主要因素是晶界处的弹性错配，即载荷方向上的弹性应变错配，该研究在国际上首次证明传统上被认为有害的疲劳变形可抑制上述裂纹萌生机制。通过对淬火马氏体钢进行预疲劳变形，抑制裂纹萌生，显著提高了疲劳极限。

与回火热处理不同，预疲劳训练可在最大程度降低抗拉强度损失的情况下提高疲劳极限，成为适用于一般高强度钢的有前景方法。研究还表明，抑制裂纹萌生而非传统意义上的裂纹终止才是提高高强度钢疲劳极限的关键。

研究团队进一步目标是开发“抗裂纹萌生材料的微观结构设计策略”，并将其应用于包括钢材在内的多种材料的断裂现象，这将为超高强度材料的社会应用变得更加可行做出重大贡献。

这项研究由NIMS结构材料研究中心(RCSM)钢铁研究组的Kazuho Okada(高级研究员)、前研究员Kaneaki Tsuzaki、博士生Eri Nakagawa以及杰出领导Akinobu Shibata组成的研究团队开展。

更多信息：Kazuho Okada 等人，《通过裂纹胚胎工程——循环训练驱动的自优化实现高强度马氏体钢疲劳极限倍增》，《先进科学》(2025 年)