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中國科學院金屬研究所影片擷圖
金屬的強度、塑性和穩定性往往難以兼得，被稱之為「不可能三角」。中國科學院金屬研究所等單位的科研人員，近日提出一種全新的設計思路，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定性，讓它能夠抵禦長期的更高應力衝擊。
中國科研人員攻克金屬不可能三角
《科技日報》7日報道，金屬的強度、塑性和使用過程中的穩定性往往難以兼得，被稱之為「不可能三角」。近期，中國科學院金屬研究所瀋陽材料科學國家研究中心盧磊研究員團隊和美國佐治亞理工學院朱廷教授合作在這一科學難題方面取得重要研究進展，相關研究結果4月4日於《科學》( Science )雜誌發表。
疲勞是金屬材料最主要的失效形式
疲勞是金屬材料最主要的失效形式之一，尤其在承受循環應力或交變載荷的工程結構中更為突出。疲勞失效通常在應力水準遠低於材料屈服強度時發生，具有突發性和隱蔽性，對工程安全構成嚴重威脅。比如，飛機發動機葉片每秒鐘要承受上萬次高溫高壓衝擊，起落架每次起降都經歷劇烈震動；跨海大橋的鋼索每天要扛住上百萬噸車輛通行的壓力——這些重大設備的安全運行，都亟須提升金屬材料在長期重複受力下的疲勞穩定性。
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，最終導致突然斷裂，這就是所謂的「棘輪損傷」。這種損傷破壞了材料的穩定性，就像是金屬的慢性病，不易被發現，但後果很嚴重。
在這項研究中，科研人員通過在傳統304奧氏體不鏽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，較相同強度的不鏽鋼及其他合金，其平均棘輪應變速率降低了2—4個數量級，突破了結構材料抗棘輪損傷性能難以提升的瓶頸。
金屬引入空間梯度序構位錯胞結構
論文通訊作者、中國科學院金屬研究所研究員盧磊表示，引入空間梯度序構位錯胞結構的操作方式就像「擰麻花」，我們通過控制金屬往復扭轉的特定工藝參數，在其內部引入一種空間梯度有序分布的穩定位錯結構，可以阻礙位錯的移動，這就相當於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」。
中國科學院金屬研究所影片擷圖
當外力來襲時，這些「防撞牆」既能像彈簧一樣吸收變形能量，又能在原子層面觸發神奇的形態轉換——在網絡內部會進一步形成比頭髮絲細萬倍的更密集、更細小的「防撞牆」，如同給金屬的筋骨網絡內又注入了會自動修複的納米「減震器」，賦予了金屬令人驚歎的「遇強更強」的超能力。更神奇的是，整個強化過程均勻發生，避免了局域變形導致破損。
盧磊表示，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出廣泛的應用潛力，有望為航空航天等極端環境下關鍵部件的長壽命和高可靠性服役提供重要保障。