提高高強度金屬材料的抗循環(huán)蠕變（棘輪效應(yīng)）損傷能力，一直是材料工程領(lǐng)域的一項重大挑戰(zhàn)。中國科學(xué)院金屬研究所沈陽材料科學(xué)國家研究中心盧磊團隊領(lǐng)銜的一項最新科研成果，提出了一種全新的結(jié)構(gòu)設(shè)計思路，成功讓材料在保持高強度、高塑性的同時，大幅提升抗棘輪損傷能力。

金屬材料的隱形威脅

金屬材料在循環(huán)載荷下的疲勞失效，是威脅工程安全的隱形殺手。在航空航天領(lǐng)域，發(fā)動機渦輪葉片每秒鐘承受上萬次高溫高壓沖擊，起落架在起降時都經(jīng)歷劇烈載荷變化；在跨海大橋建設(shè)中，懸索橋主纜需承受百萬噸級動態(tài)荷載——這些設(shè)備的安全運行，都亟需突破金屬材料的抗循環(huán)蠕變瓶頸。

在金屬的世界里，有一個“不可能三角”：強度、塑性和使用過程中的穩(wěn)定性。強度讓金屬堅固，塑性使金屬被塑造成各種形狀，而穩(wěn)定性則確保它在長期使用中不會失效。然而，這三種特性往往難以兼得。

金屬不穩(wěn)定的原因是在金屬中存在一種缺陷就是位錯，當(dāng)金屬受到單向波動外力時，位錯會移動、積累，悄悄形成不可逆轉(zhuǎn)的變形和裂紋，最終導(dǎo)致突然的斷裂，這也就是所說的“棘輪損傷”。這種損傷破壞了材料的穩(wěn)定性，就像是金屬的慢性病，不易被發(fā)現(xiàn)，但后果嚴重。

新結(jié)構(gòu)突破材料瓶頸

科研人員通過在傳統(tǒng)304奧氏體不銹鋼中引入梯度位錯結(jié)構(gòu)，使材料屈服強度提升2.6倍，同時較相同強度的不銹鋼及其他合金，其平均棘輪應(yīng)變速率降低了2—4個數(shù)量級，突破了結(jié)構(gòu)材料抗棘輪損傷性能難以提升的瓶頸。

▲梯度位錯結(jié)構(gòu)304奧氏體不銹鋼的循環(huán)蠕變行為。

引入梯度位錯結(jié)構(gòu)的方式就像“擰麻花”，科研人員通過控制金屬往復(fù)扭轉(zhuǎn)的特定工藝參數(shù)，在其內(nèi)部引入一種空間梯度有序分布的穩(wěn)定位錯胞結(jié)構(gòu)，它可以阻礙位錯的移動，相當(dāng)于在金屬材料內(nèi)植入了精心設(shè)計的亞微米尺度的三維“防撞墻”筋骨網(wǎng)絡(luò)。

▲梯度位錯結(jié)構(gòu)304不銹鋼循環(huán)蠕變過程中的結(jié)構(gòu)演變特征。

當(dāng)外力來襲時，這些“防撞墻”既能像彈簧一樣吸收變形能量，又能在原子層面觸發(fā)神奇的形態(tài)轉(zhuǎn)換——在網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部會進一步形成比頭發(fā)絲細萬倍的更密集、更細小的“防撞墻”，如同給金屬的筋骨網(wǎng)絡(luò)內(nèi)又注入了會自動修復(fù)的納米“減震器”，賦予了金屬令人驚嘆的“遇強更強”的超能力；更神奇的是，整個強化過程均勻發(fā)生，避免了局域變形導(dǎo)致破損。

展示新潛力

這是該團隊繼此前發(fā)現(xiàn)梯度位錯結(jié)構(gòu)合金材料中高強度、高塑性、低溫超高應(yīng)變硬化之后，又進一步發(fā)現(xiàn)了梯度序構(gòu)位錯不銹鋼通過激活超細共格馬氏體相變，成功實現(xiàn)高強度與優(yōu)異抗循環(huán)蠕變性能的協(xié)同提升。

這種梯度位錯結(jié)構(gòu)作為一種普適性強的韌化策略，在多種工程合金材料中展現(xiàn)出廣泛的應(yīng)用潛力，有望為航空航天等極端環(huán)境下關(guān)鍵部件的長壽命和高可靠性服役提供重要保障。