我科研人員攻克金屬“不可能三角”

在金屬的世界里，有一個“不可能三角”，即強度、塑性和使用過程中的穩(wěn)定性往往難以兼得。來自中國科學(xué)院金屬研究所等單位的科研人員，提出了一種全新的設(shè)計思路，成功破解金屬“不可能三角”，讓金屬材料在保持高強度、高塑性的同時，大幅提升了金屬使用過程中的疲勞穩(wěn)定性，讓它能夠抵御長期的更高應(yīng)力沖擊。相關(guān)研究成果4月4日發(fā)表于《科學(xué)》雜志。

在反復(fù)受力時，金屬材料容易疲勞損壞，這嚴重威脅大型工程的安全。比如，飛機發(fā)動機葉片每秒鐘要承受上萬次高溫高壓沖擊，起落架每次起降都經(jīng)歷劇烈震動；跨海大橋的鋼索每天要扛住上百萬噸車輛通行的壓力——這些重大設(shè)備的安全運行，都亟須提升金屬材料在長期重復(fù)受力下的疲勞穩(wěn)定性。

金屬疲勞的原因是金屬中存在一種叫作位錯的缺陷，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)致突然斷裂，這就是所謂的“棘輪損傷”。這種損傷破壞了材料的穩(wěn)定性，就像是金屬的慢性病，不易被發(fā)現(xiàn)，但后果很嚴重。

在這項研究中，科研人員通過在傳統(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)變速率降低了2—4個數(shù)量級，突破了結(jié)構(gòu)材料抗棘輪損傷性能難以提升的瓶頸。

“引入空間梯度序構(gòu)位錯胞結(jié)構(gòu)的操作方式就像‘?dāng)Q麻花’，我們通過控制金屬往復(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)定位錯結(jié)構(gòu)，可以阻礙位錯的移動，這就相當(dāng)于給運動的位錯安裝了精密排列的亞微米尺度的三維‘防撞欄’?！闭撐耐ㄓ嵶髡?、中國科學(xué)院金屬研究所研究員盧磊形象地說。

當(dāng)外力來襲時，這些“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——在網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部會進一步形成比頭發(fā)絲細萬倍的更密集、更細小的“防撞墻”，如同給金屬的筋骨網(wǎng)絡(luò)內(nèi)又注入了會自動修復(fù)的納米“減震器”，賦予了金屬令人驚嘆的“遇強更強”的超能力。更神奇的是，整個強化過程均勻發(fā)生，避免了局域變形導(dǎo)致破損。

盧磊表示，這種梯度位錯結(jié)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服役提供重要保障。