扭出“强筋硬骨”抵御金属“慢性病”

受到外力，形成不可逆转的裂纹——金属的这一“慢性病”不易被发现，但后果严重，日积月累后会在某一时间点突然断裂。

对此，中国科学院金属研究所（以下简称金属所）沈阳材料科学国家研究中心研究员卢磊团队提出新的设计思路，使材料在保持高强度、高塑性的同时，抵御“慢性病”即棘轮损伤的能力也大幅提升。

这种新的设计思路就像给金属内部构筑了“强筋硬骨”，使其能够抵御长期的更高应力冲击。日前，相关研究成果在线发表于《科学》。

“不可能”成可能

金属材料在反复受力即循环载荷下的疲劳失效，是威胁重大工程安全的隐形杀手。

“普通蠕变是在持续恒定应力下的缓慢变形，例如悬挂重物的橡皮筋的变形，而循环蠕变是在反复应力下的疲劳积累，例如每天被轻轻扯动的橡皮筋，看起来没变化，但是多次拉扯后，它在某一天就突然断裂了。” 论文共同第一作者、金属所研究员潘庆松告诉《中国科学报》，循环蠕变破坏力更强，且更多发生在现实场景中。

在航空航天领域，发动机涡轮叶片每秒承受上万次高温高压冲击；起落架每次起降时，都经历剧烈的载荷变化；在跨海大桥建设中，悬索桥主缆需承受百万吨级动态荷载……这些国之重器的安全运行，亟须突破金属材料循环蠕变的瓶颈。

在金属世界里，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，这些特性往往难以兼得，提高强度会牺牲塑性和稳定性，增加塑性又会降低稳定性。

不稳定的原因在于，金属中的原子并非完美整齐排列，其中一种缺陷就是位错。当金属受到外力时，位错会移动，并悄然积累形成不可逆转的变形和裂纹，最终导致突然断裂，即棘轮损伤。

而卢磊团队领衔研制出的结构，成功让材料在保持高强度、高塑性的同时，抗棘轮损伤能力也大幅提升。

师法自然

论文共同通讯作者卢磊打了个比方：“人体筋骨结构很奇妙，骨骼的主要成分是脆硬的矿物质和柔韧的蛋白质，两者在空间上巧妙梯度结合，赋予了骨骼独特的‘刚柔并济’特性。”

在她看来，这次发表的成果就是“师法自然”。

科研人员在传统304奥氏体不锈钢晶粒内部引入位错胞结构，使材料屈服强度提升了2.6倍，与相同强度的不锈钢及其他合金相比，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。

引入位错胞结构的方式，就是将金属材料往复扭转，就像“拧麻花”一样。

科研人员通过控制“拧麻花”的特定工艺参数，在金属材料内部植入了亚微米尺度——约为头发丝直径1/300的三维“防撞墙”筋骨网络。它可以阻碍位错的移动，甚至赋予金属“遇强愈强”的能力。

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形态转换，形成更细密的次级防护网络，如同向金属的筋骨网络内注入了能自动修复的纳米“减震器”。整个强化过程均匀发生，避免局域变形导致破损。

据悉，搭完“钢筋骨架”的金属材料的抗循环蠕变能力，比传统金属材料高100至10000倍，其特点在于不改变金属的形状、尺寸、表面状态，但金属材料的服役稳定性大幅提升。

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。

应用潜力广

潘庆松介绍，该成果已申请包含11项专利在内的国际专利包。后续研究将主要从两方面展开，一是从基础研究角度深入理解梯度序构金属材料，进一步厘清其兼具强度、塑性、稳定性的物理机制。二是将实验室成果尽快推向产业应用，以破解金属材料目前面临的重大应用难题。

“循环蠕变有一定隐蔽性，因为微观损伤在初期无法用肉眼观测。而许多重大工程所处的应用环境，如海水，其温度、腐蚀性都会加速蠕变。”卢磊说。

在接受采访时，卢磊提到了近海石油钻采史上的一起罕见灾难事故——1980年的北海挪威海域，亚历山大·基兰德号石油钻采平台突然覆没，造成123人死亡。直到40余年后的2023年，挪威调查委员会才发布调查报告，该事故的主要原因之一，正是由于一处焊缝应力集中，发生循环蠕变损伤，造成了开裂，导致损失惨重。

“因此，我们希望这项技术能早日走出实验室，在产业界和重大工程中示范应用，推动中国相关行业领域的发展。”卢磊表示。

相关论文信息：https://doi.org/10.1126/science.adt6666