治療金屬“慢性病” 科研人員提出新型結(jié)構(gòu)抵抗金屬變形疲勞

??新華社沈陽4月4日電（記者劉禎、王瑩）記者從中國科學(xué)院金屬研究所獲悉，由該所領(lǐng)銜的國際科研團(tuán)隊提出了一種全新的結(jié)構(gòu)設(shè)計思路，通過自主開發(fā)的往復(fù)扭轉(zhuǎn)技術(shù)改變金屬材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，使其在保持高強(qiáng)度、高塑性的同時，平均棘輪變形速率降低了100至10000倍，有望大幅提升極端環(huán)境下關(guān)鍵部件的使用壽命。

??此項研究由中國科學(xué)院金屬研究所盧磊團(tuán)隊和美國佐治亞理工學(xué)院科研團(tuán)隊共同完成，相關(guān)成果論文4月4日在國際學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)》上發(fā)表。

??金屬是重要的基礎(chǔ)材料，廣泛應(yīng)用于建筑、能源、交通等各個領(lǐng)域。但當(dāng)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(dǎo)致金屬突然斷裂，嚴(yán)重威脅工程安全。

??“金屬內(nèi)部就像一堆‘積木’，受力時‘積木’會發(fā)生錯位。而當(dāng)外力反復(fù)作用，錯位逐漸積累，‘積木’就可能在某一次受力后突然崩塌?！敝袊茖W(xué)院金屬研究所研究員盧磊說，棘輪損傷就像金屬的“慢性病”，不易被發(fā)現(xiàn)，但后果嚴(yán)重。

??科研人員展示經(jīng)加工改造后的金屬材料樣品。新華社記者劉禎 攝

??此項研究中，科研人員在傳統(tǒng)304奧氏體不銹鋼的內(nèi)部，以“擰麻花”的方式控制其往復(fù)扭轉(zhuǎn)形成空間梯度序構(gòu)位錯胞結(jié)構(gòu)，相當(dāng)于在金屬材料內(nèi)植入了亞微米尺度的三維“防撞墻”筋骨網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)外力來襲時，這些“防撞墻”能夠吸收沖擊，并且整個過程均勻發(fā)生，避免了局域變形導(dǎo)致破壞。

??經(jīng)驗證，這一新型結(jié)構(gòu)使金屬材料的屈服強(qiáng)度提升2.6倍，同時較相同強(qiáng)度的不銹鋼及其他合金，其平均棘輪變形速率降低了100至10000倍，突破了結(jié)構(gòu)材料抗棘輪損傷性能難以提升的瓶頸。在提高金屬穩(wěn)定性的同時，也不會犧牲其強(qiáng)度和塑性。

??“這種梯度位錯結(jié)構(gòu)普適性強(qiáng)，在多種工程合金材料中展現(xiàn)出廣泛的應(yīng)用潛力，有望提升航空航天等極端環(huán)境下關(guān)鍵部件的穩(wěn)定性和使用壽命?！北R磊說。