【儀表網 研發快訊】金屬材料在循環載荷下的疲勞失效是威脅重大工程安全的“隱形殺手”。在航空航天領域，發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“國之重器”的安全運行，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”即強度、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定性，如同是金屬的“慢性病”，不易被發現，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。
科研人員通過在傳統304奧氏體不銹鋼中引入空間梯度序構位錯胞結構，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2至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。
引入空間梯度序構位錯胞結構的方式就像“擰麻花”，研究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。
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”，猶如給金屬的筋骨網絡內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生，避免了局域變形導致破損。
上述成果是該團隊繼發現梯度位錯結構合金材料中高強度、高塑性、低溫超高應變硬化后，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，實現了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普適性強的韌化策略，在多種工程合金材料中展現出應用潛力，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。
4月4日，相關研究成果在線發表在《科學》(Science)上。研究工作得到國家自然科學基金、中國科學院戰略性先導科技專項、全球共性挑戰專項等的支持。
梯度位錯結構(GDS)304奧氏體不銹鋼的循環蠕變行為
梯度位錯結構(GDS)304不銹鋼σmax = 570 MPa循環蠕變過程中的結構演變特征
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