中国科学院金属研究所设计大幅提升金属材料稳定性的“钢筋骨架”

4月3日，中国科学院金属研究所研究团队在《科学》发文，提出了一种全新的结构设计思路，成功让金属材料在保持强度和塑性的同时，大幅提升稳定性。

金属材料领域长期存在着一个“不可能三角”定律，即强度、塑性和稳定性这三种关键性能始终难以兼得。强度赋予金属抗变形能力，塑性决定其可加工性，而稳定性则保障长期服役可靠性。传统材料往往陷入“顾此失彼”的困境：提升强度必然伴随塑性骤降，优化塑性又会导致稳定性恶化，这种相互制约关系长期制约着高端金属材料的突破。研究团队通过被称为循环扭转的技术，在金属晶粒内部构建了纳米级“钢筋骨架”结构（位错胞网络，其尺寸仅为头发丝直径的1/300）。这种微观结构在材料受力时展现出独特的强化机制：当外力来袭时，在内部会形成比头发丝还要细万倍的更密集的“防撞墙”，如同给金属的筋骨网络内又注入了会自动演化的纳米“减震器”，使材料获得自适应的强化能力。值得注意的是，这种强化过程具有空间均匀性，有效避免了局部变形引发的损伤。目前，团队做出来的这种搭完“钢筋骨架”的金属材料实现了三大突破性进展：首先，材料的屈服强度提升至传统材料的2.6倍；其次，在相同强度条件下，其棘轮应变速率比不锈钢等合金降低2～4个数量级，成功攻克了抗棘轮损伤性能提升的技术瓶颈；最重要的是，材料的抗循环蠕变性能较传统金属提升100～10000倍。值得注意的是，这些性能提升是在完全不改变材料形状、尺寸和表面状态的前提下实现的，使材料的服役稳定性获得了大幅提升。这一新突破对现代工业中例如航空发动机、压力容器等方面的研发制造具有十分重要的意义。