先进贝氏体钢具有优异的强韧性，在铁路交通等领域具有广泛的应用前景。在循环交变载荷工况下，疲劳性能，尤其是高周疲劳行为，对于确保结构件的长期安全服役具有重要意义。疲劳性能和微观组织密切相关，研究发现贝氏体钢中贝氏体板条块（bainitic block）的尺寸和晶体学特征强烈影响疲劳裂纹的扩展。而关于残余奥氏体对疲劳行为的微观研究却鲜有报道，一方面残余奥氏体在循环加载过程中可能发生马氏体转变，其影响相对复杂；另一方面对于残余奥氏体在疲劳裂纹萌生和扩展过程中的局部演化，微观表征难度很大。作为先进高强钢组织设计的关键，如何深入研究残余奥氏体的影响将关乎高强钢在未来的应用前景！

        近日，北京交通大学高古辉团队设计了巧妙的实验方法，采用多尺度表征手段揭示了疲劳裂纹尖端残余奥氏体的局部演化过程，阐明了残余奥氏体形貌（膜状和块状）对亚表面疲劳裂纹萌生和初期扩展的影响。研究人员以无碳化物贝氏体钢为研究对象，首先用SEM和三维共聚焦表面形貌仪（confocal microscope phase shift microXAM-3D）对高周疲劳失效样品的疲劳断口表面进行初步表征，在此基础上用聚焦离子束（FIB）技术找到裂纹前端的微观区域，随后用TEM和EBSD进行进一步的精细表征。此研究方法和表征手段为后续研究微观组织和裂纹扩展的关系提供了样板，相关成果发表在期刊Scripta Materialia，题目为“Role of retained austenite with different morphologies on sub-surface fatigue crack initiation in advanced bainitic steels”。

无碳化物贝氏体钢在疲劳测试前的组织表征 (a) SEM; (b) TEM; (c) 奥氏体IPF图

        研究人员发现在裂纹正前端的膜状残余奥氏体发生了马氏体转变，且裂纹前端的塑性变形区被限制在了几百纳米的范围。膜状的新生马氏体虽然位错密度很高，但是并不脆，因此可以阻止裂纹的扩展，起到类似钝化裂纹的作用。

疲劳断口表面 (a) 和疲劳裂纹萌生区域膜状奥氏体的组织演变 (b-h)，(i) 为膜状奥氏体在裂纹萌生过程中的作用示意图。

        原奥晶界附近的块状残余奥氏体没有发生马氏体转变，且其存在会导致疲劳裂纹沿晶界萌生，发生所谓的沿晶疲劳开裂。研究人员进一步对裂纹表面的micro-facet进行位向表征，推测沿晶裂纹的萌生遵循解理断裂模式。

疲劳断口表面 (a) 和疲劳裂纹萌生区域块状奥氏体的组织演变 (b-h)

        本研究采用FIB技术，巧妙且精确地捕获了裂纹尖端的微观区域，多尺度表征了不同形貌残余奥氏体的局部演化，可以说是疲劳行为微观研究的标杆！精工细作，实属不易！

（1）团队介绍: