工程結構中的材料和構件往往承載著循環(huán)載荷的作用，在服役過程中性能不斷劣化，產(chǎn)生損傷的累積，不可避免地面臨疲勞失效的問題。據(jù)不完全統(tǒng)計，全球每年因工程結構件失效造成的經(jīng)濟損失可達GDP的3~5%，其中，因材料和構件的疲勞破壞導致的失效可占總事故的50%，因此，材料和構件的疲勞失效一直是國內(nèi)外學術界和工業(yè)界重點關心的問題。

近日，中國科學院金屬研究所沈陽材料科學國家研究中心的盧磊研究員團隊在金屬材料領域取得重大突破，團隊提出了一種全新的結構設計思路，使金屬材料在保持高強度、高塑性的同時，大幅提升穩(wěn)定性，突破了金屬材料強度-塑性-穩(wěn)定性的“不可能三角”。這項成果于4月4日發(fā)表在國際學術期刊《科學》上。

論文鏈接：https://www.science.org/doi/10.1126/science.adt6666

梯度位錯結構304不銹鋼σmax=570MPa循環(huán)蠕變過程中的結構演變特征（圖源：中國科學院）

棘輪效應是材料或結構在非對稱應力循環(huán)作用下產(chǎn)生的一種循環(huán)塑性應變的累積現(xiàn)象，這一現(xiàn)象的產(chǎn)生會導致結構變形超限或者疲勞壽命降低而不能正常工作，是許多重大工程的安全隱患。為有效解決這一問題，盧磊團隊通過精確控制金屬的特定往復扭轉工藝，成功在材料內(nèi)部引入一種空間梯度序構位錯胞結構。該結構可以顯著阻礙位錯的移動，使材料的屈服強度提高了2.6倍，平均棘輪變形速率大幅降低，突破了傳統(tǒng)結構材料抗棘輪損傷性能難以提升的瓶頸。

據(jù)了解，這種破解強度-塑性-穩(wěn)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(xiàn)出廣泛的應用潛力，有望為航空航天等極端環(huán)境下關鍵部件的長壽命和高可靠性應用提供重要保障。