【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】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”。在航空航天領(lǐng)域，發(fā)動機渦輪葉片每秒承受上萬次高溫高壓沖擊，起落架每次起降時都經(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，亟需突破金屬材料的抗循環(huán)蠕變瓶頸。
 

　　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。強度讓金屬堅固，塑性使金屬被塑造成各種形狀，而穩(wěn)定性則確保它在長期使用中不會失效。然而，這三種特性往往難以兼得。
 

　　金屬不穩(wěn)定的原因是金屬中存在一種缺陷即位錯。當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，導(dǎo)致突然斷裂，這就是“棘輪損傷”。這種損傷破壞了材料的穩(wěn)定性，如同是金屬的“慢性病”，不易被發(fā)現(xiàn)，但后果嚴重。
 

　　近期，中國科學(xué)院金屬研究所沈陽材料科學(xué)國家研究中心盧磊團隊提出了全新的結(jié)構(gòu)設(shè)計思路，成功讓材料在保持高強度、高塑性的同時，大幅提升抗棘輪損傷能力。
 

　　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2至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)的方式就像“擰麻花”，研究人員通過控制金屬往復(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，相當于在金屬材料內(nèi)植入了精心設(shè)計的亞微米尺度的三維“防撞墻”筋骨網(wǎng)絡(luò)。
 

　　當外力來襲時，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”，猶如給金屬的筋骨網(wǎng)絡(luò)內(nèi)又注入了可以自動修復(fù)的納米“減震器”，賦予了金屬“遇強更強”的超能力；同時，整個強化過程均勻發(fā)生，避免了局域變形導(dǎo)致破損。
 

　　上述成果是該團隊繼發(fā)現(xiàn)梯度位錯結(jié)構(gòu)合金材料中高強度、高塑性、低溫超高應(yīng)變硬化后，進一步發(fā)現(xiàn)了梯度序構(gòu)位錯不銹鋼通過激活超細共格馬氏體相變，實現(xiàn)了高強度與優(yōu)異抗循環(huán)蠕變性能的協(xié)同提升。這種梯度位錯結(jié)構(gòu)作為普適性強的韌化策略，在多種工程合金材料中展現(xiàn)出應(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。
 

　　4月4日，相關(guān)研究成果在線發(fā)表在《科學(xué)》(Science)上。研究工作得到國家自然科學(xué)基金、中國科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項、全球共性挑戰(zhàn)專項等的支持。
 

梯度位錯結(jié)構(gòu)(GDS)304奧氏體不銹鋼的循環(huán)蠕變行為
 

　　梯度位錯結(jié)構(gòu)(GDS)304不銹鋼σmax = 570 MPa循環(huán)蠕變過程中的結(jié)構(gòu)演變特征