金屬材料在循環(huán)載荷下的疲勞失效是威脅重大工程安全的“隱形殺手”。在航空航天領(lǐng)域，發(fā)動機渦輪葉片每秒承受上萬次高溫高壓沖擊，起落架每次起降時都經(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“國之重器”的安全運行，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”即強度、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)定的原因是金屬中存在一種缺陷即位錯。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(zhuǎn)的變形和裂紋，導致突然斷裂，這就是“棘輪損傷”。這種損傷破壞了材料的穩(wěn)定性，如同是金屬的“慢性病”，不易被發(fā)現(xiàn)，但后果嚴重。
 

　　近期，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提出了全新的結(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。
 

　　科研人員通過在傳統(tǒng)304奧氏體不銹鋼中引入空間梯度序構(gòu)位錯胞結(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2至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。
 

　　引入空間梯度序構(gòu)位錯胞結(jié)構(gòu)的方式就像“擰麻花”，研究人員通過控制金屬往復扭轉(zhuǎn)的特定工藝參數(shù)，在其內(nèi)部引入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)。
 

　　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(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”，猶如給金屬的筋骨網(wǎng)絡(luò)內(nèi)又注入了可以自動修復的納米“減震器”，賦予了金屬“遇強更強”的超能力；同時，整個強化過程均勻發(fā)生，避免了局域變形導致破損。
 

　　上述成果是該團隊繼發(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)變硬化后，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，實現(xiàn)了高強度與優(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)作為普適性強的韌化策略，在多種工程合金材料中展現(xiàn)出應(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。
 

　　4月4日，相關(guān)研究成果在線發(fā)表在《科學》(Science)上。研究工作得到國家自然科學基金、中國科學院戰(zhàn)略性先導科技專項、全球共性挑戰(zhàn)專項等的支持。
 

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

　　梯度位錯結(jié)構(gòu)(GDS)304不銹鋼σmax = 570 MPa循環(huán)蠕變過程中的結(jié)構(gòu)演變特征