我科研人员攻克金属“不可能三角”

在金属的世界里，有一个“不可能三角”，即强度、塑性和使用过程中的稳定性往往难以兼得。来自中国科学院金属研究所等单位的科研人员，提出了一种全新的设计思路，成功破解金属“不可能三角”，让金属材料在保持高强度、高塑性的同时，大幅提升了金属使用过程中的疲劳稳定性，让它能够抵御长期的更高应力冲击。相关研究成果4月4日发表于《科学》杂志。

在反复受力时，金属材料容易疲劳损坏，这严重威胁大型工程的安全。比如，飞机发动机叶片每秒钟要承受上万次高温高压冲击，起落架每次起降都经历剧烈震动；跨海大桥的钢索每天要扛住上百万吨车辆通行的压力——这些重大设备的安全运行，都亟须提升金属材料在长期重复受力下的疲劳稳定性。

金属疲劳的原因是金属中存在一种叫作位错的缺陷，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，最终导致突然断裂，这就是所谓的“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，但后果很严重。

在这项研究中，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他合金，其平均棘轮应变速率降低了2—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操作方式就像‘拧麻花’，我们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结构，可以阻碍位错的移动，这就相当于给运动的位错安装了精密排列的亚微米尺度的三维‘防撞栏’。”论文通讯作者、中国科学院金属研究所研究员卢磊形象地说。

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。

卢磊表示，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。