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金屬是重要的基礎材料，廣泛應用于建筑、能源、交通等領域。但當金屬受到非對稱的循環(huán)外力時，會產(chǎn)生塑性變形，塑性變形逐漸累積就會形成“棘輪損傷”。這種損傷會導致金屬突然斷裂，嚴重威脅工程安全。為了攻克這一難題，我國科研人員想出妙招，給金屬“織”一張亞微米尺度的三維“防撞墻”。日前，由中國科學院金屬研究所沈陽材料科學國家研究中心盧磊團隊領銜的材料領域相關研究獲重要進展。他們提出一種全新的結(jié)構設計思路，成功讓金屬材料在保持高強度、高塑性的同時大幅提升抗循環(huán)蠕變性能。相關成果論文4月4日在國際學術期刊《科學》上發(fā)表。

在金屬的世界里，一直存在著一個“不可能三角”：強度、塑性和使用過程中的穩(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。無論是航空發(fā)動機渦輪葉片每秒承受的上萬次高溫高壓沖擊，還是跨海大橋主纜需要承擔的百萬噸級動態(tài)荷載，都亟須相關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，受力時積木會發(fā)生錯位。而當外力反復作用，錯位逐漸積累，積木就可能在某一次受力后突然崩塌。”盧磊說，“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)災難性后果。

“研究突破的靈感來自生活中的‘擰麻花’工藝?！北R磊介紹，研究團隊通過精密控制金屬的往復扭轉(zhuǎn)，在其內(nèi)部形成空間梯度序構位錯胞結(jié)構。這些亞微米尺度的三維結(jié)構就像無數(shù)個“防撞墻”，當外力來襲時，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——自動形成更細密的次級防護網(wǎng)絡。實驗顯示，相比傳統(tǒng)材料，這種新型304奧氏體不銹鋼的屈服強度提升了2.6倍，抗循環(huán)蠕變性能更是提升了4個數(shù)量級?！岸艺麄€強化過程均勻發(fā)生，不會因局域變形導致破損。加工后的金屬材料，與原材料相比，在外觀上幾乎沒有差別。”盧磊說。

“這相當于給金屬材料裝上了會自我強化的納米減震器?！北R磊解釋，該成果不僅突破了金屬材料強度、塑性、穩(wěn)定性難以兼得的傳統(tǒng)困境，更為航空航天、重大基礎設施等領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用的潛力。（記者鄒曉菁、劉勇）