我科學家攻克金屬“不可能三角”

    【中新社北京四日電】金屬材料的強度（堅固）、塑性（塑造各種形狀）和穩定性（長期使用不會失效），在正常情況下是一個此消彼長的過程，三者因很難實現綜合提升而被稱為“不可能三角”。

    魚和熊掌兼得

    由中國科學家領銜並聯合國際同行最新開展的一項材料研究獲得重要進展，他們提出一種全新的結構設計思路，使金屬“不可能三角”成為可能——成功讓金屬材料在保持高強度、高塑性的同時，大幅提升抗“棘輪損傷”能力，實現長期使用的穩定性和可靠性。

    這一達成人們對金屬材料性能夢寐以求“魚和熊掌兼得”目標的研究，由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率合作夥伴共同完成，成果論文北京時間四日凌晨在國際學術期刊《科學》上線發表。

    盧磊介紹說，金屬材料在循環載荷下的疲勞失效是威脅重大工程安全的隱形殺手。例如，在航空航天領域，發動機渦輪葉片每秒鐘承受上萬次高溫高壓衝擊，起落架在每次起降時都經歷劇烈載荷變化；在跨海大橋建設中，懸索橋主纜需承受百萬噸級動態荷載……這些國之重器的安全運行，都亟需突破金屬材料的抗循環蠕變瓶頸，實現強度、塑性、穩定性“不可能三角”的綜合提升。

    她指出，金屬不穩定具有突發性、隱蔽性、災難性特徵，其原因是金屬中存在一種缺陷——位錯，當金屬受力時，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即“棘輪損傷”，破壞材料的穩定性，就像是金屬的慢性病，不易被發現，但後果嚴重。

    在本項研究中，研究團隊提出一種全新的利用多尺度空間梯度序構設計思路，如同在金屬內部構築起一道“強筋硬骨”屏障，讓它能夠抵禦長期的更高應力衝擊，從而突破金屬材料強度——塑性——穩定性的“不可能三角”，讓不可能成為可能。

    如置“防撞牆”

    具體而言，研究團隊通過在傳統三○四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二點六倍，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一百至一萬倍，攻克了結構材料抗“棘輪損傷”性能難以提升的瓶頸。

    論文第一作者、中國科學院金屬研究所潘慶松研究員稱，引入空間梯度序構的操作方式就像“擰麻花”，研究團隊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佈的穩定位錯胞結構，它可以阻礙位錯的移動，相當於在金屬材料內安裝了精密排列的原子“防撞牆”。

    當外力來襲時，這種“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，隨後在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會自動修復的納米“減震器”，賦予金屬“遇強更強”的超能力。尤其特別的是，金屬材料這一“強筋硬骨”的整個過程都是均勻發生，避免了局域變形導致破損。

    盧磊介紹稱，這種破解強度——塑性——穩定性“不可能三角”的梯度序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應用提供重要保障。

    她透露，研究團隊後續還要深入研究釐清本項研究成果背後的物理機制、運行機制，同時，將實驗室產生的成果，盡快推向工程示範和產業應用，推動國民經濟建設相關行業實現高質量發展。