提高高強度金屬材料的抗循環蠕變（棘輪效應）損傷能力，一直是材料工程領域的一項重大挑戰。

中國科學院金屬研究所沈陽材料科學國家研究中心盧磊團隊領銜的一項最新科研成果，提出了一種全新的結構設計思路，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。

▲視頻來源：中國科學院金屬研究所

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金屬材料的隱形威脅

金屬材料在循環載荷下的疲勞失效，是威脅工程安全的隱形殺手。在航空航天領域，發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歷劇烈載荷變化；在跨海大橋建設中，懸索橋主纜需承受百萬噸級動態荷載——這些設備的安全運行，都亟需突破金屬材料的抗循環蠕變瓶頸。

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定性。強度讓金屬堅固，塑性使金屬被塑造成各種形狀，而穩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。

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

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新結構突破材料瓶頸

科研人員通過在傳統304奧氏體不銹鋼中引入梯度位錯結構，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，其平均棘輪應變速率降低了2—4個數量級，突破了結構材料抗棘輪損傷性能難以提升的瓶頸。

▲梯度位錯結構304奧氏體不銹鋼的循環蠕變行為。

引入梯度位錯結構的方式就像“擰麻花”，科研人員通過控制金屬往復扭轉的特定工藝參數，在其內部引入一種空間梯度有序分布的穩定位錯胞結構，它可以阻礙位錯的移動，相當于在金屬材料內植入了精心設計的亞微米尺度的三維“防撞墻”筋骨網絡。

▲梯度位錯結構304不銹鋼循環蠕變過程中的結構演變特征。

當外力來襲時，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神奇的形態轉換——在網絡內部會進一步形成比頭發絲細萬倍的更密集、更細小的“防撞墻”，如同給金屬的筋骨網絡內又注入了會自動修復的納米“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生，避免了局域變形導致破損。

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展示新潛力

這是該團隊繼此前發現梯度位錯結構合金材料中高強度、高塑性、低溫超高應變硬化之后，又進一步發現了梯度序構位錯不銹鋼通過激活超細共格馬氏體相變，成功實現高強度與優異抗循環蠕變性能的協同提升。

這種梯度位錯結構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出廣泛的應用潛力，有望為航空航天等極端環境下關鍵部件的長壽命和高可靠性服役提供重要保障。

來源：中國科學院金屬研究所

責任編輯：曹旸