盧磊團隊，再發Science!

1.【科學背景】

循環蠕變（棘輪效應），是工程材料在非對稱應力循環下累積單向塑性應變導致的失效現象，廣泛存在于渦輪葉片、核反應堆管道、壓力容器等關鍵結構中，每年因材料失效造成的經濟損失超過千億美元。傳統高強度材料在提高強度的同時，難以平衡抗棘輪性能：粗晶材料（如304不銹鋼）在預應變后雖短期強化，但長期循環易引發位錯胞粗化和應變局部化，導致軟化加速；納米結構材料（如UFG銅）雖初期抗棘輪性能優異，但高密度晶界和位錯在循環加載下引發的動態回復，會造成結構退化和裂紋產生。以奧氏體不銹鋼為例，其傳統強化方法（如固溶強化、析出強化）雖能提升強度，但位錯滑移阻力增加導致循環硬化能力受限，應變局部化引發的微裂紋成為失效的主要原因。多元合金雖兼具高強度和延性，但非對稱加載下的塑性應變積累仍難以控制。因此，開發兼具高強度、高硬化能力和高抗局部應變的材料，成為當前材料工程領域的核心挑戰。

2.【創新成果】

基于以上研究背景，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和美國佐治亞理工學院朱廷教授（通訊作者）研究團隊通過梯度位錯結構設計，在奧氏體304不銹鋼中實現了優異的抗棘輪性能。他們通過循環扭轉工藝在材料表層至芯部構建了梯度分布的位錯晶胞，在循環加載下，晶胞通過層錯（SFs）累積觸發面心立方（FCC）到密排六方（HCP）馬氏體的相干相變，形成納米層狀結構，有效防止了位錯滑移。梯度結構通過持續細化微觀組織，還增強了應變硬化能力，降低動態回復，使棘輪應變率比粗晶材料低2-4個數量級。相關研究成果以“Superior resistance to cyclic creep in a gradient structured steel”為題發表在最新Science期刊上。

圖1. 典型的梯度位錯晶胞微觀結構。? 2025 AAAS

圖2. 梯度位錯304不銹鋼在不同最大應力下的棘輪響應。? 2025 AAAS

圖3. 梯度位錯304不銹鋼循環加載后的變形微觀結構。? 2025 AAAS

圖4. 密排六方納米層與層錯的強化機制。? 2025 AAAS

?? 3.【科學啟迪】

這是盧磊團隊繼發現梯度納米孿晶金屬額外強化與加工硬化（Science, 2018）、梯度位錯結構的高強塑性（Science, 2018）、梯度序構位錯結構實現晶體低溫超高應變硬化（Science, 2023）之后，關于金屬梯度位錯結構優化的又一重要發現。本工作中提出的梯度位錯設計可推廣至其他合金體系（如鋁合金、鈦合金），通過成分優化進一步調控相變行為。通過探索梯度位錯晶胞尺寸、密度與強度的關系、優化梯度分布可以進一步平衡強度與韌性。在此基礎上，結合晶體塑性模型與分子動力學，可以深入揭示梯度結構在復雜應力下的變形機制。本研究對于發展晶體材料應變硬化理論、研究高溫及腐蝕等環境下梯度結構的抗棘輪性能衰減規律、推動工程應用，具有重要意義。

原文詳情：Pan, et al. Superior resistance to cyclic creep in a gradient structured steel, Science (2025).