提高高强度金属材料的抗循环蠕变（棘轮效应）损伤能力，一直是材料工程领域的一项重大挑战。
中国科学院金属研究所沈阳材料科学国家研究中心卢磊团队领衔的一项最新科研成果，提出了一种全新的结构设计思路，成功让材料在保持高强度、高塑性的同时，大幅提升抗棘轮损伤能力。
▲视频来源：中国科学院金属研究所
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金属材料的隐形威胁
金属材料在循环载荷下的疲劳失效，是威胁工程安全的隐形杀手。在航空航天领域，发动机涡轮叶片每秒钟承受上万次高温高压冲击，起落架在起降时都经历剧烈载荷变化；在跨海大桥建设中，悬索桥主缆需承受百万吨级动态荷载——这些设备的安全运行，都亟需突破金属材料的抗循环蠕变瓶颈。
在金属的世界里，有一个“不可能三角”：强度、塑性和使用过程中的稳定性。强度让金属坚固，塑性使金属被塑造成各种形状，而稳定性则确保它在长期使用中不会失效。然而，这三种特性往往难以兼得。
金属不稳定的原因是在金属中存在一种缺陷就是位错，当金属受到单向波动外力时，位错会移动、积累，悄悄形成不可逆转的变形和裂纹，最终导致突然的断裂，这也就是所说的“棘轮损伤”。这种损伤破坏了材料的稳定性，就像是金属的慢性病，不易被发现，但后果严重。
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新结构突破材料瓶颈
科研人员通过在传统304奥氏体不锈钢中引入梯度位错结构，使材料屈服强度提升2.6倍，同时较相同强度的不锈钢及其他合金，其平均棘轮应变速率降低了2—4个数量级，突破了结构材料抗棘轮损伤性能难以提升的瓶颈。
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▲梯度位错结构304奥氏体不锈钢的循环蠕变行为。
引入梯度位错结构的方式就像“拧麻花”，科研人员通过控制金属往复扭转的特定工艺参数，在其内部引入一种空间梯度有序分布的稳定位错胞结构，它可以阻碍位错的移动，相当于在金属材料内植入了精心设计的亚微米尺度的三维“防撞墙”筋骨网络。
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▲梯度位错结构304不锈钢循环蠕变过程中的结构演变特征。
当外力来袭时，这些“防撞墙”既能像弹簧一样吸收变形能量，又能在原子层面触发神奇的形态转换——在网络内部会进一步形成比头发丝细万倍的更密集、更细小的“防撞墙”，如同给金属的筋骨网络内又注入了会自动修复的纳米“减震器”，赋予了金属令人惊叹的“遇强更强”的超能力；更神奇的是，整个强化过程均匀发生，避免了局域变形导致破损。
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展示新潜力
这是该团队继此前发现梯度位错结构合金材料中高强度、高塑性、低温超高应变硬化之后，又进一步发现了梯度序构位错不锈钢通过激活超细共格马氏体相变，成功实现高强度与优异抗循环蠕变性能的协同提升。
这种梯度位错结构作为一种普适性强的韧化策略，在多种工程合金材料中展现出广泛的应用潜力，有望为航空航天等极端环境下关键部件的长寿命和高可靠性服役提供重要保障。
来源：中国科学院金属研究所
责任编辑：曹旸