金屬也有“慢性病”？

　　打個比方，如果把金屬看成長期處於高壓狀態的上班族，它也會患上疲勞損傷等“慢性病”——專業名稱為循環蠕變或棘輪效應。就像生鏽的齒輪卡住后，只能單向轉動，金屬在反復承受循環應力后，內部結構也會“卡”住，積累損傷直到突然斷裂。

　　金屬由無數微小的晶粒堆疊而成，就像“壘積木”，其內部變形通常借助“錯位的接縫”（即“位錯”）來協調。當金屬被反復拉扯或擠壓時，這些接縫會像被推倒的多米諾骨牌一樣滑動，導致變形。如果受力方向總偏向一邊，位錯就會朝著一個方向越滑越遠，金屬的“骨骼”就會慢慢被壓垮。

　　金屬“慢性病”的危害有多大？

　　一方面，金屬“慢性病”會帶來極大的安全風險。一些金屬表面看似完好，內部卻已布滿“裂紋”，可能毫無預兆地斷裂。歷史上的多起空難、橋梁坍塌都與此有關。傳統高強度金屬像“肌肉男”，雖然能扛重物，但反復彎曲時容易“抽筋”（即“循環軟化”），局部區域“肌肉溶解”（即“應變局域化”），直至突然崩潰。

　　金屬的“健康”也關系著科技的發展。在航天發動機葉片、核電站管道等“高壓崗位”，傳統金屬很難承受極端考驗。

　　科學界曾經廣泛採用兩種方案治療金屬“慢性病”：一種是給金屬“增肌”，即通過把金屬晶粒打碎成“納米肌肉纖維”來提高金屬強度，但這類材料易脆，一彎就斷﹔另一種就是給金屬“減脂”，即引入位錯等柔術結構來增加塑性，但這些結構在循環應力下會“抱團偷懶”或結構粗化，反而讓損傷容易集中在局部。

　　更棘手的是，傳統理論認為，高強度和抗疲勞如同“魚與熊掌”，就像要求一個人同時擁有舉重冠軍的力量和馬拉鬆選手的耐力，一度被認為不可兼得。

　　前不久，由中國科學院金屬研究所領銜的國際科研團隊提出了一種全新的結構設計思路，通過自主開發的往復扭轉技術改變金屬材料的內部結構，使其在保持高強度、高塑性的同時，平均棘輪變形速率大幅降低，有望大幅提升極端環境下關鍵部件的使用壽命。

　　這樣一套“治療方案”，重點是兩味“藥”。一是梯度位錯結構，就像給金屬穿上特制盔甲——外層是“高密度鋼絲網”（表面高密度位錯區），中層是“緩沖海綿”（過渡層），內層是“韌性彈簧”（內部低密度區）。有序的結構讓應力被層層分散，外力像“拳頭打在棉花上”。二是共格馬氏體相變，這可以理解為“納米修理工”。當金屬在循環應力下“受傷”時，內部會觸發神奇的自愈機制：原子們集體“變身”，從面心立方結構轉換為密排六方結構，同時生成無數亞10納米的共格層片。這些層片相當於用“釘子陣”阻擋位錯前進，把滑動的位錯“抓”住存好，防止金屬繼續受損。“變身”釋放的能量還能讓位錯結構像細胞分裂一樣持續細化，達到“增肌”效果。

　　這項技術打破了科學界的傳統認知——新材料在強度提升2.6倍的同時，抗循環蠕變能力比同類材料增強百倍甚至萬倍，相當於造出既能舉起卡車又能跑馬拉鬆的機器人。未來，這項技術有望延長工業裝備使用年限，如延長火箭發動機葉片壽命、延長核反應堆壓力容器服役年限等。

　　（作者為中國科學院金屬研究所研究員，本報記者劉佳華整理）

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