我国科研人员攻克金属抗疲劳损伤世界难题

我国科研人员攻克金属抗疲劳损伤世界难题
2025-04-11

记者从中国科学院金属研究所获悉，该所沈阳材料科学国家研究中心卢磊团队领衔的国际研究团队，日前在《科学》杂志发表最新成果，首次实现金属材料强度、塑性与稳定性的平衡，为航空航天、能源化工等领域的极端环境关键部件长寿命服役提供了革命性解决方案。

在万米高空，航空发动机涡轮叶片每秒承受上万次高温高压冲击；在跨海大桥上，悬索桥主缆需常年扛住百万吨级动态荷载——这些“国之重器”的安全运行，始终受制于金属材料在循环载荷下的疲劳失效难题。

在金属的世界里，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，这三种特性往往难以兼得。

金属不稳定的原因是在金属中存在一种缺陷就是位错，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，最终导致突然的断裂，这也就是所说的“棘轮损伤”。这种损伤破坏了材料的稳定性，就像是金属的慢性病，不易被发现，但后果严重。

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它合金，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。

引入空间梯度序构位错胞结构的方式就像“拧麻花”，科研人员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胞结构，它可以阻碍位错的移动，相当于在金属材料内植入了精心设计的亚微米尺度的三维“防撞墙”筋骨网络。

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——在网络内部会进一步形成比头发丝细万倍的更密集、更细小的“防撞墙”，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”，赋予了金属令人惊叹的“遇强更强”的超能力；更神奇的是，整个强化过程均匀发生，避免了局域变形导致破损。

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。