科学家攻克金属稳定性难题
金属是重要的基础材料，广泛应用于建筑、能源、交通等领域。但当金属受到非对称的循环外力时，会产生塑性变形，塑性变形逐渐累积就会形成“棘轮损伤”。这种损伤会导致金属突然断裂，严重威胁工程安全。为了攻克这一难题，我国科研人员想出妙招，给金属“织”一张亚微米尺度的三维“防撞墙”。日前，由中国科学院金属研究所沈阳材料科学国家研究中心卢磊团队领衔的材料领域相关研究获重要进展。他们提出一种全新的结构设计思路，成功让金属材料在保持高强度、高塑性的同时大幅提升抗循环蠕变性能。相关成果论文4月4日在国际学术期刊《科学》上发表。
在金属的世界里，一直存在着一个“不可能三角”：强度、塑性和使用过程中的稳定性。这3种特性往往难以兼得，而金属材料在循环载荷下的疲劳失效更是威胁工程安全的隐形杀手。无论是航空发动机涡轮叶片每秒承受的上万次高温高压冲击，还是跨海大桥主缆需要承担的百万吨级动态荷载，都亟须相关研究突破金属材料的抗循环蠕变瓶颈。
“金属内部就像一堆积木，受力时积木会发生错位。而当外力反复作用，错位逐渐积累，积木就可能在某一次受力后突然崩塌。”卢磊说，“棘轮损伤”就像金属的慢性病，不易被发现，却可能引发灾难性后果。
“研究突破的灵感来自生活中的‘拧麻花’工艺。”卢磊介绍，研究团队通过精密控制金属的往复扭转，在其内部形成空间梯度序构位错胞结构。这些亚微米尺度的三维结构就像无数个“防撞墙”，当外力来袭时，既能像弹簧一样吸收变形能量，又能触发原子层面的智能响应——自动形成更细密的次级防护网络。实验显示，相比传统材料，这种新型304奥氏体不锈钢的屈服强度提升了2.6倍，抗循环蠕变性能更是提升了4个数量级。“而且整个强化过程均匀发生，不会因局域变形导致破损。加工后的金属材料，与原材料相比，在外观上几乎没有差别。”卢磊说。
“这相当于给金属材料装上了会自我强化的纳米减震器。”卢磊解释，该成果不仅突破了金属材料强度、塑性、稳定性难以兼得的传统困境，更为航空航天、重大基础设施等领域的工程安全提供了全新的解决方案，在多种工程合金材料中都有着广泛应用的潜力。（记者邹晓菁、刘勇）