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嘉峪檢測網 2025-04-04 11:42
疲勞是金屬材料最主要的失效形式之一，尤其在承受循環應力或交變載荷的工程結構中更為突出。疲勞失效通常在應力水平遠低于材料屈服強度時發生，具有突發性和隱蔽性，對工程安全構成嚴重威脅。其中，循環蠕變（棘輪效應）是一種更嚴重的疲勞變形現象，表現為非對稱應力循環與非零平均應力導致的循環塑性應變單向累積，最終引發不可逆轉破壞。傳統高強度材料常伴隨循環軟化和應變局域化，二者耦合加劇棘輪效應，加速構件過早疲勞失效。因此，提高高強度金屬材料的抗循環蠕變損傷能力一直是材料工程領域的一項重大挑戰。
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，相關研究結果于北京時間2025年4月4日在《科學》(Science)周刊在線發布。
通過在傳統304奧氏體不銹鋼中引入空間梯度序構位錯胞結構，成功實現了高強度與優異抗循環蠕變性能的兼得：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，其棘輪應變速率降低了2-4個數量級(圖1)，突破了結構材料抗棘輪損傷性能難以提升的瓶頸。這種超低棘輪應變速率的實現源于梯度位錯結構在非對稱循環應力條件下，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動態細化新機制(圖2)，與傳統位錯、孿生及非共格相變等機制存在本質區別。獨特的亞十納米共格層片結構不僅顯著阻礙位錯/層錯運動，又能高效存儲缺陷、增強動態應變硬化，并有效抑制動態恢復和結構粗化伴隨的應變局部化, 顯著提高抗棘輪損傷能力。
這是本團隊繼發現梯度梯度位錯結構合金材料中高強度、高塑性(Science, 2021)、低溫超高應變硬化（Science，2023）之后，進一步發現了梯度序構位錯不銹鋼通過激活超細共格馬氏體相變，成功實現高強度與優異抗循環蠕變性能的協同提升。梯度序構位錯結構作為一種普適性強韌化策略，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專項等項目資助。
圖1 梯度位錯結構(GDS)304奧氏體不銹鋼的循環蠕變行為。 (A, B)非對稱拉-拉循環載荷工況(應力比為0.1)最大應力σmax=510 MPa 時GDS (A)和粗晶(CG) (B)典型應力-應變響應特征。(C, D) GDS和CG典型的滯后環，為方便比較，滯后環最小應變平移至坐標零點；Δεr代表單個周次內的循環蠕變量；(E) 不同σmax時GDS和CG樣品的棘輪應變-周次曲線；(F) 平均棘輪應變速率與歸一化σmax曲線，表明梯度位錯結構具有優異的抗棘輪損傷能力，其平均棘輪應變速率較相同強度的不銹鋼及其他合金降低2-4個數量級。
圖2 梯度位錯結構(GDS)304不銹鋼σmax = 570 MPa循環蠕變過程中的結構演變特征。(A, B) 10%Nf 時SEM (A) 和 HAADF-STEM (B) 結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) 結果表明更高密度變形帶穿過了位錯胞群，且位錯胞依然穩定存在；(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，與初始態相當；(F) HAADF-STEM結果表明微米尺度變形帶由超高密度的HCP-FCC 納米層片和層錯結構組成；(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絡結構。
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