治疗金属“慢性病” 科研人员提出新型结构抵抗金属变形疲劳

记者从中国科学院金属研究所获悉，由该所领衔的国际科研团队提出了一种全新的结构设计思路，通过自主开发的往复扭转技术改变金属材料的内部结构，使其在保持高强度、高塑性的同时，平均棘轮变形速率降低了100至10000倍，有望大幅提升极端环境下关键部件的使用寿命。

此项研究由中国科学院金属研究所卢磊团队和美国佐治亚理工学院科研团队共同完成，相关成果论文4月4日在国际学术期刊《科学》上发表。

金属是重要的基础材料，广泛应用于建筑、能源、交通等各个领域。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。

“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。”中国科学院金属研究所研究员卢磊说，棘轮损伤就像金属的“慢性病”，不易被发现，但后果严重。

此项研究中，科研人员在传统304奥氏体不锈钢的内部，以“拧麻花”的方式控制其往复扭转形成空间梯度序构位错胞结构，相当于在金属材料内植入了亚微米尺度的三维“防撞墙”筋骨网络。当外力来袭时，这些“防撞墙”能够吸收冲击，并且整个过程均匀发生，避免了局域变形导致破坏。

经验证，这一新型结构使金属材料的屈服强度提升2.6倍，同时较相同强度的不锈钢及其他合金，其平均棘轮变形速率降低了100至10000倍，突破了结构材料抗棘轮损伤性能难以提升的瓶颈。在提高金属稳定性的同时，也不会牺牲其强度和塑性。

“这种梯度位错结构普适性强，在多种工程合金材料中展现出广泛的应用潜力，有望提升航空航天等极端环境下关键部件的稳定性和使用寿命。”卢磊说。（记者刘祯、王莹）