在金属材料的世界里，一直存在一个“不可能三角”：金属强度、塑性和使用过程中的稳定性此消彼长、不可兼得。日前，中国科学院金属研究所沈阳材料科学国家研究中心卢磊研究员团队，提出一种全新的结构设计思路，成功实现了金属材料高强度、高塑性与优异抗循环蠕变性能的协同提升。
金属材料内部是不稳定的，因为在金属中存在一种缺陷，专业人员称之为位错。“就好比一堆积木，受力时会发生错位。”卢磊说，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，最终导致某一次受力后突然断裂，这就是所谓的“棘轮损伤”。比如，飞机发动机叶片每秒钟要承受上万次高温高压冲击；跨海大桥的钢索每天要扛住上百万吨车辆通行的压力——这些重大设备的安全运行，都亟须提升金属材料在长期重复受力下的疲劳稳定性。
在研究中，科研人员通过在传统304奥氏体不锈钢中引入空间梯度序构位错胞结构，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至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。
“这个灵感来自生活。”卢磊介绍，“引入空间梯度序构位错胞结构的操作方式就像拧麻花，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结构，可以阻碍位错的移动，这就相当于给运动的位错安装了精密排列的亚微米尺度的三维‘防撞墙’。”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——进一步形成头发丝万分之一粗细的更密集、更细小的“防护网”，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”，赋予金属令人惊叹的“遇强更强”的超能力。
“搭完钢筋骨架的金属材料，其抗循环蠕变的能力要比传统的金属材料提高100至1万倍，对现代工业意义重大。”卢磊表示，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使用寿命和高可靠性服役提供重要保障。
（辽宁日报记者 孔爱群）
