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)力水平遠低于材料屈服強度時發(fā)生，具有突發(fā)性和隱蔽性，對工程安全構(gòu)成嚴重威脅。其中，循環(huán)蠕變（棘輪效應(yīng)）是一種更嚴重的疲勞變形現(xiàn)象，表現(xiàn)為非對稱應(yīng)力循環(huán)與非零平均應(yīng)力導致的循環(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)件過早疲勞失效。因此，提高高強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)域的一項重大挑戰(zhàn)。
近期，中國科學院金屬研究所沈陽材料科學國家研究中心盧磊研究員團隊和美國佐治亞理工學院朱廷教授合作在這一科學難題方面取得重要研究進展，相關(guān)研究結(jié)果于北京時間2025年4月4日在《科學》(Science)周刊在線發(fā)布。
通過在傳統(tǒng)304奧氏體不銹鋼中引入空間梯度序構(gòu)位錯胞結(jié)構(gòu)，成功實現(xiàn)了高強度與優(yōu)異抗循環(huán)蠕變性能的兼得：其屈服強度提升2.6倍，同時較相同強度的不銹鋼及其它合金，其棘輪應(yīng)變速率降低了2-4個數(shù)量級(圖1)，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)變速率的實現(xiàn)源于梯度位錯結(jié)構(gòu)在非對稱循環(huán)應(yīng)力條件下，通過高密度層錯以及由面心立方到密排六方（FCC-HCP）馬氏體共格相變主導的位錯胞持續(xù)動態(tài)細化新機制(圖2)，與傳統(tǒng)位錯、孿生及非共格相變等機制存在本質(zhì)區(qū)別。獨特的亞十納米共格層片結(jié)構(gòu)不僅顯著阻礙位錯/層錯運動，又能高效存儲缺陷、增強動態(tài)應(yīng)變硬化，并有效抑制動態(tài)恢復和結(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。
這是本團隊繼發(fā)現(xiàn)梯度梯度位錯結(jié)構(gòu)合金材料中高強度、高塑性(Science,?2021)、低溫超高應(yīng)變硬化（Science，2023）之后，進一步發(fā)現(xiàn)了梯度序構(gòu)位錯不銹鋼通過激活超細共格馬氏體相變，成功實現(xiàn)高強度與優(yōu)異抗循環(huán)蠕變性能的協(xié)同提升。梯度序構(gòu)位錯結(jié)構(gòu)作為一種普適性強韌化策略，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(中國科學院優(yōu)秀青促會會員)、博士研究生郭松和佐治亞理工學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。該工作獲得國家自然科學基金委重大研究計劃、中國科學院先導項目以及全球共性挑戰(zhàn)專項等項目資助。
梯度位錯結(jié)構(gòu)（GDS）304奧氏體不銹鋼的循環(huán)蠕變行為
梯度位錯結(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
