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金屬材料抗循環(huán)蠕變研究取得重要進(jìn)展
2025-04-08 10:48:01中國科學(xué)院金屬研究所閱讀量：20410 我要評(píng)論
金屬材料在循環(huán)載荷下的疲勞失效是威脅重大工程安全的“隱形殺手”。在航空航天領(lǐng)域，發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片每秒承受上萬次高溫高壓沖擊，起落架每次起降時(shí)都經(jīng)歷劇烈載荷變化；在跨海大橋建設(shè)中，懸索橋主纜需承受百萬噸級(jí)動(dòng)態(tài)荷載。這些“國之重器”的安全運(yùn)行，亟需突破金屬材料的抗循環(huán)蠕變瓶頸。 
在金屬的世界里，有一個(gè)“不可能三角”即強(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)定的原因是金屬中存在一種缺陷即位錯(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，導(dǎo)致突然斷裂，這就是“棘輪損傷”。這種損傷破壞了材料的穩(wěn)定性，如同是金屬的“慢性病”，不易被發(fā)現(xiàn)，但后果嚴(yán)重。
近期，中國科學(xué)院金屬研究所沈陽材料科學(xué)國家研究中心盧磊團(tuán)隊(duì)提出了全新的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)思路，成功讓材料在保持高強(qiáng)度、高塑性的同時(shí)，大幅提升抗棘輪損傷能力。
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)度的不銹鋼及其他合金，其平均棘輪應(yīng)變速率降低2至4個(gè)數(shù)量級(jí)，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”，研究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”，猶如給金屬的筋骨網(wǎng)絡(luò)內(nèi)又注入了可以自動(dòng)修復(fù)的納米“減震器”，賦予了金屬“遇強(qiáng)更強(qiáng)”的超能力；同時(shí)，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。
上述成果是該團(tuán)隊(duì)繼發(fā)現(xiàn)梯度位錯(cuò)結(jié)構(gòu)合金材料中高強(qiáng)度、高塑性、低溫超高應(yīng)變硬化后，進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)了梯度序構(gòu)位錯(cuò)不銹鋼通過激活超細(xì)共格馬氏體相變，實(shí)現(xiàn)了高強(qiáng)度與優(yōu)異抗循環(huán)蠕變性能的協(xié)同提升。這種梯度位錯(cuò)結(jié)構(gòu)作為普適性強(qiáng)的韌化策略，在多種工程合金材料中展現(xiàn)出應(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。
4月4日，相關(guān)研究成果在線發(fā)表在《科學(xué)》(Science)上。研究工作得到國家自然科學(xué)基金、中國科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)、全球共性挑戰(zhàn)專項(xiàng)等的支持。
梯度位錯(cuò)結(jié)構(gòu)(GDS)304奧氏體不銹鋼的循環(huán)蠕變行為
梯度位錯(cuò)結(jié)構(gòu)(GDS)304不銹鋼σmax = 570 MPa循環(huán)蠕變過程中的結(jié)構(gòu)演變特征
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