中國團隊領銜研究獲重要進展 讓金屬“不可能三角”成為可能

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”。

由中國科學家領銜並聯合國際同行最新合作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。

盧磊研究員科普解讀金屬材料“不可能三角”。中新網記者 孫自法 攝

這一達成人們對金屬材料性能夢寐以求“魚和熊掌兼得”“既要、又要、還要”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與美國佐治亞理工學院合作伙伴等共同完成，成果論文北京時間4月4日凌晨在國際權威學術期刊《科學》(Science)上線發表。

為何研究

盧磊研究員長期致力於金屬材料機理等前沿基礎研究，這次研究成果是繼2021年發現梯度位錯(通俗而言即“錯位”)結構合金材料中高強度、高塑性和2023年低温超高應變硬化之後，她領導團隊取得的又一突破性進展，並已獲20多項發明專利授權，近期還提交包括11項發明專利的專利包申請。

盧磊介紹説，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温高壓衝擊，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。

中國科學院金屬研究所實驗室內，科研人員對比展示應用研究成果改造的金屬材料樣品與常規金屬材料。中新網記者 孫自法 攝

她指出，金屬不穩定具有突發性、隱蔽性、災難性特徵，其原因是在金屬中存在一種缺陷-位錯，當金屬受到單向波動外力時，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”，該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。

如何攻克

盧磊表示，在本項研究中，研究團隊師法自然，提出一種全新的利用多尺度空間梯度序構設計思路，這種梯度序構設計就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。

具體而言，研究團隊通過在傳統304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2.6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100至1萬倍，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，梯度序構金屬材料的“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，隨後在網絡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”，賦予金屬令人驚歎的“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。

有何意義

盧磊表示，研究團隊成功實現金屬材料高強度與優異抗循環蠕變性能的協同提升，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。

“二十多年磨一劍。我們希望目前在實驗室突破金屬材料‘不可能三角’的這項技術，能早日走出實驗室，在產業界和重大工程中做出示範應用，推動中國相關行業領域新質生產力的發展。”

展望梯度序構金屬的未來應用前景，盧磊認為，讓金屬“不可能三角”成為可能後，有望保障極端環境下關鍵部件長壽命和高可靠性應用，使油氣管道等預期壽命大幅度提高。

中國科學院金屬研究所實驗室內，盧磊研究員(中)與團隊科研人員交流。 中新網記者 孫自法 攝

她透露，在目前成果基礎上，研究團隊後續有兩方面工作要做：

一是如何從基礎研究的角度來深刻、深入理解梯度序構金屬材料，為何具有強度、塑性和穩定性三者兼備的優異性能，其背後的物理機制、運行機制到底是什麼？需要進一步研究釐清。

二是將實驗室產生的成果，儘快推向工程示範和產業應用，來解決目前面臨的金屬材料重大應用難題，推動國民經濟建設相關行業實現高質量發展。