我國新突破！給金屬材料搭“鋼筋骨架” 可大幅提升穩(wěn)定性

在金屬材料的世界里，有一個“不可能三角”規(guī)律，即：金屬的強(qiáng)度、塑性、穩(wěn)定性，這三者不可兼得，此消彼長。我國科學(xué)家經(jīng)過多年研究，提出了一種全新的結(jié)構(gòu)設(shè)計思路，成功讓金屬材料在保持強(qiáng)度和塑性的同時，大幅提升穩(wěn)定性。這一成果于北京時間4月4日凌晨在國際學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)》發(fā)表。

中國科學(xué)院金屬研究所的科研人員告訴記者，金屬材料不穩(wěn)定的原因是在金屬中存在一種缺陷，專業(yè)人員稱之為“位錯”。當(dāng)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(zhuǎn)的變形和裂紋，最終導(dǎo)致突然的斷裂。這種損傷破壞了材料的穩(wěn)定性，就像是金屬的慢性病，不易被發(fā)現(xiàn)，但后果嚴(yán)重。

如何克服金屬材料天生的這種缺陷呢？科研人員提出了一種全新的結(jié)構(gòu)設(shè)計思路，通過控制金屬往復(fù)扭轉(zhuǎn)的特定工藝參數(shù)，在其內(nèi)部引入一種空間梯度有序分布的亞微米尺度穩(wěn)定位錯結(jié)構(gòu)，相當(dāng)于在金屬材料內(nèi)植入了精心設(shè)計的亞微米尺度的三維“防撞墻”筋骨網(wǎng)絡(luò)，從而阻礙位錯活動。

中國科學(xué)院金屬研究所研究員盧磊告訴記者，科研團(tuán)隊通過被稱為循環(huán)扭轉(zhuǎn)的技術(shù)，在晶粒內(nèi)部搭起來結(jié)構(gòu)單元尺寸只有頭發(fā)絲尺寸的三百分之一的“鋼筋骨架”，也叫位錯胞。在金屬材料變形的時候，位錯胞要發(fā)揮關(guān)鍵作用。當(dāng)外力來襲時，在內(nèi)部會形成比頭發(fā)絲還要細(xì)萬倍的更密集的“防撞墻”，如同給金屬的筋骨網(wǎng)絡(luò)內(nèi)又注入了會自動演化的納米“減震器”，賦予了金屬令人驚嘆的“遇強(qiáng)更強(qiáng)”的超能力，而且整個強(qiáng)化的過程可以做到均勻發(fā)生，不會出現(xiàn)局域變形導(dǎo)致的損傷。

據(jù)了解，目前團(tuán)隊做出來的這種搭完“鋼筋骨架”的金屬材料抗循環(huán)蠕變的能力，要比傳統(tǒng)的金屬材料提高一百到一萬倍。其特點在于不改變金屬的形狀、尺寸、表面狀態(tài)，但金屬材料的服役穩(wěn)定性大幅提升。這一新突破對現(xiàn)代工業(yè)中例如航空發(fā)動機(jī)、壓力容器等方面的研發(fā)制造具有十分重要的意義。