人民網(wǎng)北京4月10日電（記者趙竹青）記者從中國科學院金屬研究所獲悉，該所沈陽材料科學國家研究中心盧磊團隊領銜的國際研究團隊，日前在《科學》雜志發(fā)表最新成果，首次實現(xiàn)金屬材料強度、塑性與穩(wěn)定性的平衡，為航空航天、能源化工等領域的極端環(huán)境關鍵部件長壽命服役提供了革命性解決方案。
在萬米高空，航空發(fā)動機渦輪葉片每秒承受上萬次高溫高壓沖擊；在跨海大橋上，懸索橋主纜需常年扛住百萬噸級動態(tài)荷載——這些“國之重器”的安全運行，始終受制于金屬材料在循環(huán)載荷下的疲勞失效難題。
在金屬的世界里，有一個“不可能三角”：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)定的原因是在金屬中存在一種缺陷就是位錯，當金屬受到單向波動外力時，位錯會移動、積累，悄悄形成不可逆轉的變形和裂紋，最終導致突然的斷裂，這也就是所說的“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)，但后果嚴重。
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位錯胞結構，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它合金，其平均棘輪應變速率降低了2至4個數(shù)量級，突破了結構材料抗棘輪損傷性能難以提升的瓶頸。
引入空間梯度序構位錯胞結構的方式就像“擰麻花”，科研人員通過控制金屬往復扭轉的特定工藝參數(shù)，在其內部引入一種空間梯度有序分布的穩(wěn)定位錯胞結構，它可以阻礙位錯的移動，相當于在金屬材料內植入了精心設計的亞微米尺度的三維“防撞墻”筋骨網(wǎng)絡。
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)轉換——在網(wǎng)絡內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)絡內又注入了會自動修復的納米“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，避免了局域變形導致破損。
這種梯度位錯結構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)出廣泛的應用潛力，有望為航空航天等極端環(huán)境下關鍵部件的長壽命和高可靠性服役提供重要保障。