金屬材料的強度(堅固)、塑性(塑造各種形狀)和穩(wěn)定性(長期使用不會失效)，在正常情況下是一個此消彼長的過程，三者因很難實現(xiàn)綜合提升而被稱為“不可能三角”。

由中國科學(xué)家領(lǐng)銜并聯(lián)合國際同行最新合作開展的一項材料研究獲得重要進(jìn)展，他們提出一種全新的結(jié)構(gòu)設(shè)計思路，使金屬“不可能三角”成為可能——成功讓金屬材料在保持高強度、高塑性的同時，大幅提升抗“棘輪損傷”能力，實現(xiàn)長期使用的穩(wěn)定性和可靠性。

盧磊研究員科普解讀金屬材料“不可能三角”。中新網(wǎng)記者 孫自法 攝

這一達(dá)成人們對金屬材料性能夢寐以求“魚和熊掌兼得”“既要、又要、還要”目標(biāo)的研究，由中國科學(xué)院金屬研究所沈陽材料科學(xué)國家研究中心盧磊研究員團隊與美國佐治亞理工學(xué)院合作伙伴等共同完成，成果論文北京時間4月4日凌晨在國際權(quán)威學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)》(Science)上線發(fā)表。

為何研究

盧磊研究員長期致力于金屬材料機理等前沿基礎(chǔ)研究，這次研究成果是繼2021年發(fā)現(xiàn)梯度位錯(通俗而言即“錯位”)結(jié)構(gòu)合金材料中高強度、高塑性和2023年低溫超高應(yīng)變硬化之后，她領(lǐng)導(dǎo)團隊取得的又一突破性進(jìn)展，并已獲20多項發(fā)明專利授權(quán)，近期還提交包括11項發(fā)明專利的專利包申請。

盧磊介紹說，金屬材料在循環(huán)載荷下的疲勞失效是威脅重大工程安全的隱形殺手。例如，在航空航天領(lǐng)域，發(fā)動機渦輪葉片每秒鐘承受上萬次高溫高壓沖擊，起落架在每次起降時都經(jīng)歷劇烈載荷變化；在跨海大橋建設(shè)中，懸索橋主纜需承受百萬噸級動態(tài)荷載……這些國之重器的安全運行，都亟需突破金屬材料的抗循環(huán)蠕變瓶頸，實現(xiàn)強度、塑性、穩(wěn)定性“不可能三角”的綜合提升。

中國科學(xué)院金屬研究所實驗室內(nèi)，科研人員對比展示應(yīng)用研究成果改造的金屬材料樣品與常規(guī)金屬材料。中新網(wǎng)記者 孫自法 攝

她指出，金屬不穩(wěn)定具有突發(fā)性、隱蔽性、災(zāi)難性特征，其原因是在金屬中存在一種缺陷-位錯，當(dāng)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(zhuǎn)的變形和裂紋，最終導(dǎo)致突然的斷裂即“棘輪損傷”，該損傷破壞材料的穩(wěn)定性，就像是金屬的慢性病，不易被發(fā)現(xiàn)，但后果嚴(yán)重。

如何攻克

盧磊表示，在本項研究中，研究團隊師法自然，提出一種全新的利用多尺度空間梯度序構(gòu)設(shè)計思路，這種梯度序構(gòu)設(shè)計就如同在金屬內(nèi)部構(gòu)筑起一道“強筋硬骨”屏障，讓它能夠抵御長期的更高應(yīng)力沖擊，從而突破金屬材料強度-塑性-穩(wěn)定性的“不可能三角”，讓不可能成為可能。

具體而言，研究團隊通過在傳統(tǒng)304奧氏體不銹鋼中引入空間梯度序構(gòu)位錯胞結(jié)構(gòu)，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(yīng)變速率降低100至1萬倍，攻克了結(jié)構(gòu)材料抗“棘輪損傷”性能難以提升的瓶頸。

論文第一作者、中國科學(xué)院金屬研究所潘慶松研究員稱，引入空間梯度序構(gòu)的操作方式就像“擰麻花”，研究團隊通過控制金屬往復(fù)扭轉(zhuǎn)的特定工藝參數(shù)，在其內(nèi)部引入一種空間梯度有序分布的穩(wěn)定位錯胞結(jié)構(gòu)，它可以阻礙位錯的移動，相當(dāng)于在金屬材料內(nèi)安裝了精密排列的原子“防撞墻”。

當(dāng)外力來襲時，梯度序構(gòu)金屬材料的“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(fā)神奇的形態(tài)轉(zhuǎn)換，隨后在網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部會進(jìn)一步形成比頭發(fā)絲細(xì)萬倍的更密集、更細(xì)小的“防撞墻”，如同給金屬的筋骨網(wǎng)絡(luò)內(nèi)又注入會自動修復(fù)的納米“減震器”，賦予金屬令人驚嘆的“遇強更強”的超能力。尤其特別的是，金屬材料這一“強筋硬骨”的整個過程都是均勻發(fā)生，避免了局域變形導(dǎo)致破損。

有何意義

盧磊表示，研究團隊成功實現(xiàn)金屬材料高強度與優(yōu)異抗循環(huán)蠕變性能的協(xié)同提升，這種破解強度-塑性-穩(wěn)定性“不可能三角”的梯度序構(gòu)作為一種普適性強的韌化策略，在多種工程合金材料中展現(xiàn)出廣泛的應(yīng)用潛力，有望為航空航天等極端環(huán)境下關(guān)鍵部件的長壽命和高可靠性應(yīng)用提供重要保障。

“二十多年磨一劍。我們希望目前在實驗室突破金屬材料‘不可能三角’的這項技術(shù)，能早日走出實驗室，在產(chǎn)業(yè)界和重大工程中做出示范應(yīng)用，推動中國相關(guān)行業(yè)領(lǐng)域新質(zhì)生產(chǎn)力的發(fā)展?！?

展望梯度序構(gòu)金屬的未來應(yīng)用前景，盧磊認(rèn)為，讓金屬“不可能三角”成為可能后，有望保障極端環(huán)境下關(guān)鍵部件長壽命和高可靠性應(yīng)用，使油氣管道等預(yù)期壽命大幅度提高。

中國科學(xué)院金屬研究所實驗室內(nèi)，盧磊研究員(中)與團隊科研人員交流。 中新網(wǎng)記者 孫自法 攝

她透露，在目前成果基礎(chǔ)上，研究團隊后續(xù)有兩方面工作要做：

一是如何從基礎(chǔ)研究的角度來深刻、深入理解梯度序構(gòu)金屬材料，為何具有強度、塑性和穩(wěn)定性三者兼?zhèn)涞膬?yōu)異性能，其背后的物理機制、運行機制到底是什么？需要進(jìn)一步研究厘清。

二是將實驗室產(chǎn)生的成果，盡快推向工程示范和產(chǎn)業(yè)應(yīng)用，來解決目前面臨的金屬材料重大應(yīng)用難題，推動國民經(jīng)濟建設(shè)相關(guān)行業(yè)實現(xiàn)高質(zhì)量發(fā)展。