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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(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(xué)院金屬研究所沈陽材料科學(xué)國家研究中心盧磊研究員團隊和美國佐治亞理工學(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展，相關(guān)研究結(jié)果于北京時間2025年4月4日在《科學(xué)》(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(dǎo)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(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。

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(xué)院優(yōu)秀青促會會員)、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。該工作獲得國家自然科學(xué)基金委重大研究計劃、中國科學(xué)院先導(dǎo)項目以及全球共性挑戰(zhàn)專項等項目資助。

圖1 梯度位錯結(jié)構(gòu)(GDS)304奧氏體不銹鋼的循環(huán)蠕變行為。 (A, B)非對稱拉-拉循環(huán)載荷工況(應(yīng)力比為0.1)最大應(yīng)力σmax=510 MPa 時GDS (A)和粗晶(CG) (B)典型應(yīng)力-應(yīng)變響應(yīng)特征。(C, D) GDS和CG典型的滯后環(huán)，為方便比較，滯后環(huán)最小應(yīng)變平移至坐標零點；Δεr代表單個周次內(nèi)的循環(huán)蠕變量；(E) 不同σmax時GDS和CG樣品的棘輪應(yīng)變-周次曲線；(F) 平均棘輪應(yīng)變速率與歸一化σmax曲線，表明梯度位錯結(jié)構(gòu)具有優(yōu)異的抗棘輪損傷能力，其平均棘輪應(yīng)變速率較相同強度的不銹鋼及其他合金降低2-4個數(shù)量級。

圖2 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。(A, B) 10%Nf 時SEM (A) 和 HAADF-STEM (B) 結(jié)果表明諸多微米尺度變形帶(納米層錯)穿過多個位錯胞；(C, D) 90%Nf 時SEM (A) 和TEM (B) 結(jié)果表明更高密度變形帶穿過了位錯胞群，且位錯胞依然穩(wěn)定存在；(E) 取向分布圖顯示變形帶穿過的位錯胞群取向差均屬于小角范疇，與初始態(tài)相當；(F) HAADF-STEM結(jié)果表明微米尺度變形帶由超高密度的HCP-FCC 納米層片和層錯結(jié)構(gòu)組成；(G) 相互交割的HCP 納米層片、層錯和L-C 位錯鎖組成的更加細化的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。