我国学者与海外合作者在金属结构材料领域取得进展

　　

图 梯度位错结构304奥氏体不锈钢的循环蠕变行为：(A)最大应力（σ_max）下的棘轮应变-周次曲线；(B)平均棘轮应变速率与归一化σ_max曲线

　　在国家自然科学基金项目（批准号：92463302、92163202）等资助下，中国科学院金属研究所卢磊研究员团队与海外科研人员合作在金属结构材料使役行为研究方面取得进展，相关研究成果以“梯度结构钢的优异抗循环蠕变性能（Superior resistance to cyclic creep in a gradient structured steel）”为题，于2025年4月3日发表在《科学》（Science）上。论文链接：https://www.science.org/doi/10.1126/science.adt6666。

　　疲劳是金属材料主要的失效形式之一，在承受循环应力或交变载荷的工程结构中表现尤为显著。疲劳失效通常发生在远低于材料屈服强度的应力水平下，具有突发性和隐蔽性，对工程结构安全构成了严重威胁。其中，循环蠕变（棘轮效应）是一种严重的疲劳变形机制，表现为非对称应力循环与非零平均应力作用下循环塑性应变的单向累积，最终导致不可逆转的结构破坏。传统高强度材料常伴随循环软化和应变局域化现象，二者耦合加剧棘轮效应，加速构件过早疲劳失效。提高高强度金属材料的抗循环蠕变损伤能力，已成为材料工程领域亟待解决的重大技术挑战。

　　卢磊研究团队与海外合作者共同提出了一种基于梯度位错结构的高强度材料抗疲劳策略，通过在传统304奥氏体不锈钢中引入空间梯度序构位错胞结构，成功实现了高强度与优异抗循环蠕变性能的协同优化。该策略使材料屈服强度提升了2.6倍；与具有相同强度的不锈钢及其他合金相比，其棘轮应变速率降低了2-4个数量级（图），突破了结构材料抗棘轮损伤性能难以提升的技术瓶颈。

　　这是该团队继在梯度位错结构合金材料领域取得突破性进展（梯度位错结构高强塑性机制，Science，2021；低温超高应变硬化机制，Science，2023）之后，进一步实现了高强度与优异抗循环蠕变性能的协同提升。梯度序构位错结构作为一种具有普适性的强韧化策略，在多种工程合金材料中展现出广阔的应用前景，将为极端工况下关键部件的长寿命和高可靠性服役提供重要的技术保障。