我國科研人員攻克金屬抗疲勞損傷世界難題

記者從中國科學(xué)院金屬研究所獲悉，該所沈陽材料科學(xué)國家研究中心盧磊團(tuán)隊(duì)領(lǐng)銜的國際研究團(tuán)隊(duì)，日前在《科學(xué)》雜志發(fā)表*新成果，*實(shí)現(xiàn)金屬材料強(qiáng)度、塑性與穩(wěn)定性的平衡，為航空航天、能源化工等領(lǐng)域的極端環(huán)境關(guān)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(dòng)機(jī)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(dòng)態(tài)荷載——這些“國之重器”的安全運(yùn)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(gè)“不可能三角”：強(qiáng)度、塑性和使用過程中的穩(wěn)定性。強(qiáng)度讓金屬堅(jiān)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(huì)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(cuò)，當(dāng)金屬受到單向波動(dòng)外力時(shí)，位錯(cuò)會(huì)移動(dòng)、積累，悄悄形成不可逆轉(zhuǎn)的變形和裂紋，*終導(dǎo)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(yán)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(gòu)位錯(cuò)胞結(jié)構(gòu)，使材料屈服強(qiáng)度提升2.6倍，同時(shí)較相同強(qiáng)度的不銹鋼及其它合金，其平均棘輪應(yīng)變速率降低了2至4個(gè)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(cuò)胞結(jié)構(gòu)的方式就像“擰麻花”，科研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)部引入一種空間梯度有序分布的穩(wěn)定位錯(cuò)胞結(jié)構(gòu)，它可以阻礙位錯(cuò)的移動(dòng)，相當(dāng)于在金屬材料內(nèi)植入了精心設(shè)計(jì)的亞微米尺度的三維“防撞墻”筋骨網(wǎng)絡(luò)。

當(dāng)外力來襲時(shí)，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(huì)進(jìn)一步形成比頭發(fā)絲細(xì)萬倍的更密集、更細(xì)小的“防撞墻”，如同給金屬的筋骨網(wǎng)絡(luò)內(nèi)又注入了會(huì)自動(dòng)修復(fù)的納米“減震器”，賦予了金屬令人驚嘆的“遇強(qiáng)更強(qiáng)”的超能力；更神奇的是，整個(gè)強(qiáng)化過程均勻發(fā)生，避免了局域變形導(dǎo)致破損。

這種梯度位錯(cuò)結(jié)構(gòu)作為一種普適性強(qiáng)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。