疲勞是金屬材料最主要的失效形式之一，尤其在承受循環(huán)應(yīng)力或交變載荷的工程結(jié)構(gòu)中更為突出。疲勞失效通常在應(yīng)力水平遠(yuǎn)低于材料屈服強(qiáng)度時(shí)發(fā)生，具有突發(fā)性和隱蔽性，對(duì)工程安全構(gòu)成嚴(yán)重威脅。其中，循環(huán)蠕變（棘輪效應(yīng)）是一種更嚴(yán)重的疲勞變形現(xiàn)象，表現(xiàn)為非對(duì)稱應(yīng)力循環(huán)與非零平均應(yīng)力導(dǎo)致的循環(huán)塑性應(yīng)變單向累積，最終引發(fā)不可逆轉(zhuǎn)破壞。傳統(tǒng)高強(qiáng)度材料常伴隨循環(huán)軟化和應(yīng)變局域化，二者耦合加劇棘輪效應(yīng)，加速構(gòu)件過(guò)早疲勞失效。因此，提高高強(qiáng)度金屬材料的抗循環(huán)蠕變損傷能力一直是材料工程領(lǐng)域的一項(xiàng)重大挑戰(zhàn)。
近期，中國(guó)科學(xué)院金屬研究所沈陽(yáng)材料科學(xué)國(guó)家研究中心盧磊研究員團(tuán)隊(duì)和美國(guó)佐治亞理工學(xué)院朱廷教授合作在這一科學(xué)難題方面取得重要研究進(jìn)展，相關(guān)研究結(jié)果于北京時(shí)間2025年4月4日在《科學(xué)》(Science)周刊在線發(fā)布。
論文鏈接：
https://www.science.org/doi/10.1126/science.adt6666
通過(guò)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)（圖1），成功實(shí)現(xiàn)了高強(qiáng)度與優(yōu)異抗循環(huán)蠕變性能的兼得：其屈服強(qiáng)度提升2.6倍，同時(shí)較相同強(qiáng)度的不銹鋼及其它合金，其棘輪應(yīng)變速率降低了2-4個(gè)數(shù)量級(jí)(圖2)，突破了結(jié)構(gòu)材料抗棘輪損傷性能難以提升的瓶頸。這種超低棘輪應(yīng)變速率的實(shí)現(xiàn)源于梯度位錯(cuò)結(jié)構(gòu)在非對(duì)稱循環(huán)應(yīng)力條件下，通過(guò)高密度層錯(cuò)以及由面心立方到密排六方（FCC-HCP）馬氏體共格相變主導(dǎo)的位錯(cuò)胞持續(xù)動(dòng)態(tài)細(xì)化新機(jī)制(圖3)，與傳統(tǒng)位錯(cuò)、孿生及非共格相變等機(jī)制存在本質(zhì)區(qū)別。獨(dú)特的亞十納米共格層片結(jié)構(gòu)不僅顯著阻礙位錯(cuò)/層錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，又能高效存儲(chǔ)缺陷、增強(qiáng)動(dòng)態(tài)應(yīng)變硬化，并有效抑制動(dòng)態(tài)恢復(fù)和結(jié)構(gòu)粗化伴隨的應(yīng)變局部化, 顯著提高抗棘輪損傷能力。
圖1典型的梯度位錯(cuò)晶胞微觀結(jié)構(gòu)
圖2 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。
圖3 梯度位錯(cuò)結(jié)構(gòu)(GDS)304不銹鋼σmax = 570 MPa循環(huán)蠕變過(guò)程中的結(jié)構(gòu)演變特征。
這是該團(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(Science, 2021)、低溫超高應(yīng)變硬化（Science，2023）之后，進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)了梯度序構(gòu)位錯(cuò)不銹鋼通過(guò)激活超細(xì)共格馬氏體相變，成功實(shí)現(xiàn)高強(qiáng)度與優(yōu)異抗循環(huán)蠕變性能的協(xié)同提升。梯度序構(gòu)位錯(cuò)結(jié)構(gòu)作為一種普適性強(qiáng)韌化策略，在多種工程合金材料中展現(xiàn)出廣泛的應(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(zhǎng)壽命和高可靠性服役提供重要保障。
該工作中金屬所潘慶松研究員(中國(guó)科學(xué)院優(yōu)秀青促會(huì)會(huì)員)、博士研究生郭松和佐治亞理工學(xué)院丁坤慶博士為論文共同第一作者，盧磊研究員和朱廷教授為通訊作者。該工作獲得國(guó)家自然科學(xué)基金委重大研究計(jì)劃、中國(guó)科學(xué)院先導(dǎo)項(xiàng)目以及全球共性挑戰(zhàn)專項(xiàng)等項(xiàng)目資助。
本文來(lái)自：中科院金屬所。
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