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金屬是重要的基礎(chǔ)材料，廣泛應(yīng)用于建筑、能源、交通等領(lǐng)域。但當(dāng)金屬受到非對(duì)稱(chēng)的循環(huán)外力時(shí)，會(huì)產(chǎn)生塑性變形，塑性變形逐漸累積就會(huì)形成“棘輪損傷”。這種損傷會(huì)導(dǎo)致金屬突然斷裂，嚴(yán)重威脅工程安全。為了攻克這一難題，我國(guó)科研人員想出妙招，給金屬“織”一張亞微米尺度的三維“防撞墻”。日前，由中國(guó)科學(xué)院金屬研究所沈陽(yáng)材料科學(xué)國(guó)家研究中心盧磊團(tuán)隊(duì)領(lǐng)銜的材料領(lǐng)域相關(guān)研究獲重要進(jìn)展。他們提出一種全新的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)思路，成功讓金屬材料在保持高強(qiáng)度、高塑性的同時(shí)大幅提升抗循環(huán)蠕變性能。相關(guān)成果論文4月4日在國(guó)際學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)》上發(fā)表。

在金屬的世界里，一直存在著一個(gè)“不可能三角”：強(qiáng)度、塑性和使用過(guò)程中的穩(wěn)定性。這3種特性往往難以兼得，而金屬材料在循環(huán)載荷下的疲勞失效更是威脅工程安全的隱形殺手。無(wú)論是航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片每秒承受的上萬(wàn)次高溫高壓沖擊，還是跨海大橋主纜需要承擔(dān)的百萬(wàn)噸級(jí)動(dòng)態(tài)荷載，都亟須相關(guān)研究突破金屬材料的抗循環(huán)蠕變瓶頸。

“金屬內(nèi)部就像一堆積木，受力時(shí)積木會(huì)發(fā)生錯(cuò)位。而當(dāng)外力反復(fù)作用，錯(cuò)位逐漸積累，積木就可能在某一次受力后突然崩塌。”盧磊說(shuō)，“棘輪損傷”就像金屬的慢性病，不易被發(fā)現(xiàn)，卻可能引發(fā)災(zāi)難性后果。

“研究突破的靈感來(lái)自生活中的‘?dāng)Q麻花’工藝?！北R磊介紹，研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)精密控制金屬的往復(fù)扭轉(zhuǎn)，在其內(nèi)部形成空間梯度序構(gòu)位錯(cuò)胞結(jié)構(gòu)。這些亞微米尺度的三維結(jié)構(gòu)就像無(wú)數(shù)個(gè)“防撞墻”，當(dāng)外力來(lái)襲時(shí)，既能像彈簧一樣吸收變形能量，又能觸發(fā)原子層面的智能響應(yīng)——自動(dòng)形成更細(xì)密的次級(jí)防護(hù)網(wǎng)絡(luò)。實(shí)驗(yàn)顯示，相比傳統(tǒng)材料，這種新型304奧氏體不銹鋼的屈服強(qiáng)度提升了2.6倍，抗循環(huán)蠕變性能更是提升了4個(gè)數(shù)量級(jí)?！岸艺麄€(gè)強(qiáng)化過(guò)程均勻發(fā)生，不會(huì)因局域變形導(dǎo)致破損。加工后的金屬材料，與原材料相比，在外觀上幾乎沒(méi)有差別?！北R磊說(shuō)。

“這相當(dāng)于給金屬材料裝上了會(huì)自我強(qiáng)化的納米減震器?！北R磊解釋?zhuān)摮晒粌H突破了金屬材料強(qiáng)度、塑性、穩(wěn)定性難以兼得的傳統(tǒng)困境，更為航空航天、重大基礎(chǔ)設(shè)施等領(lǐng)域的工程安全提供了全新的解決方案，在多種工程合金材料中都有著廣泛應(yīng)用的潛力。（記者鄒曉菁、劉勇）