中国科学家领衔联合国际同行在金属材料研究方面取得重要进展，成功突破金属材料强度、塑性和稳定性“不可能三角”，介绍了研究的背景、攻克方法以及成果的意义和未来展望。
在金属材料的世界里，一直存在着一个难题，那就是强度（即材料的坚固程度）、塑性（能够塑造各种形状的能力）和稳定性（长期使用不会失效的特性），在正常情况下呈现出一种此消彼长的关系，这三者难以同时实现综合提升，因此被形象地称为“不可能三角”。
不过，由中国科学家领衔，并联合国际同行开展的一项最新材料研究取得了重大突破。他们提出了一种全新的结构设计思路，成功地让金属“不可能三角”成为了可能。具体来说，就是让金属材料在保持高强度和高塑性的同时，还大幅提升了抗“棘轮损伤”的能力，从而实现了长期使用的稳定性和可靠性。
图为卢磊研究员科普解读金属材料“不可能三角”。
这项研究达成了人们对金属材料性能梦寐以求的“鱼和熊掌兼得”“既要、又要、还要”的目标。该研究由中国科学院金属研究所沈阳材料科学国家研究中心卢磊研究员团队与美国佐治亚理工学院合作伙伴等共同完成，其成果论文于北京时间4月4日凌晨在国际权威学术期刊《科学》（Science）上线发表。
为何研究
卢磊研究员长期专注于金属材料机理等前沿基础研究。此次的研究成果是继2021年发现梯度位错（通俗来讲就是“错位”）结构合金材料中高强度、高塑性，以及2023年低温超高应变硬化之后，她领导团队取得的又一突破性进展。该团队已获得20多项发明专利授权，近期还提交了包括11项发明专利的专利包申请。
卢磊介绍，金属材料在循环载荷下的疲劳失效是威胁重大工程安全的“隐形杀手”。在航空航天领域，发动机涡轮叶片每秒钟要承受上万次高温高压冲击，起落架在每次起降时都经历剧烈的载荷变化；在跨海大桥建设中，悬索桥主缆需承受百万吨级的动态荷载。这些国之重器的安全运行，都迫切需要突破金属材料的抗循环蠕变瓶颈，实现强度、塑性、稳定性“不可能三角”的综合提升。
图为中国科学院金属研究所实验室内，科研人员对比展示应用研究成果改造的金属材料样品与常规金属材料。
她指出，金属不稳定具有突发性、隐蔽性和灾难性的特征。其原因在于金属中存在一种缺陷——位错。当金属受到单向波动外力时，位错会移动、积累，悄悄形成不可逆转的变形和裂纹，最终导致突然的断裂，即“棘轮损伤”。这种损伤破坏了材料的稳定性，就像金属的慢性病，不易被发现，但后果严重。
如何攻克
卢磊表示，在本项研究中，研究团队师法自然，提出了一种全新的利用多尺度空间梯度序构设计思路。这种梯度序构设计就如同在金属内部构筑起一道“强筋硬骨”的屏障，使其能够抵御长期的更高应力冲击，从而突破了金属材料强度 – 塑性 – 稳定性的“不可能三角”，让原本不可能的事情成为了现实。
具体操作上，研究团队通过在传统304奥氏体不锈钢中引入空间梯度序构位错胞结构，使材料的屈服强度提升了2.6倍。同时，与相同强度的不锈钢及其他合金相比，其平均棘轮应变速率降低了100至1万倍，成功攻克了结构材料抗“棘轮损伤”性能难以提升的瓶颈。
论文第一作者、中国科学院金属研究所潘庆松研究员称，引入空间梯度序构的操作方式就像“拧麻花”。研究团队通过控制金属往复扭转的特定工艺参数，在其内部引入一种空间梯度有序分布的稳定位错胞结构。这种结构可以阻碍位错的移动，相当于在金属材料内安装了精密排列的原子“防撞墙”。
当外力来袭时，梯度序构金属材料的“防撞墙”既能像弹簧一样吸收变形能量，又能在原子层面触发神奇的形态转换。随后，在网络内部会进一步形成比头发丝细万倍的更密集、更细小的“防撞墙”，如同给金属的筋骨网络内注入了会自动修复的纳米“减震器”，赋予金属令人惊叹的“遇强更强”的超能力。特别值得一提的是，金属材料这一“强筋硬骨”的整个过程都是均匀发生的，避免了局域变形导致的破损。
有何意义
卢磊表示，研究团队成功实现了金属材料高强度与优异抗循环蠕变性能的协同提升。这种破解强度 – 塑性 – 稳定性“不可能三角”的梯度序构作为一种普适性强的韧化策略，在多种工程合金材料中展现出了广泛的应用潜力，有望为航空航天等极端环境下关键部件的长寿命和高可靠性应用提供重要保障。
卢磊感慨道：“二十多年磨一剑。我们希望目前在实验室突破金属材料‘不可能三角’的这项技术，能早日走出实验室，在产业界和重大工程中做出示范应用，推动中国相关行业领域新质生产力的发展。”
展望梯度序构金属的未来应用前景，卢磊认为，让金属“不可能三角”成为可能后，有望保障极端环境下关键部件长寿命和高可靠性应用，使油气管道等预期寿命大幅度提高。
图为中国科学院金属研究所实验室内，卢磊研究员（中）与团队科研人员交流。
她透露，在目前成果的基础上，研究团队后续有两方面的工作要做。一是从基础研究的角度深刻、深入地理解梯度序构金属材料为何具有强度、塑性和稳定性三者兼备的优异性能，厘清其背后的物理机制和运行机制。二是将实验室产生的成果尽快推向工程示范和产业应用，解决目前面临的金属材料重大应用难题，推动国民经济建设相关行业实现高质量发展。
本文介绍了中国科学家团队在金属材料研究上的重大突破，他们提出全新设计思路破解了金属材料强度、塑性和稳定性“不可能三角”难题。研究团队阐述了研究背景、攻克方法及成果意义，后续还将深入研究材料性能机制并推动成果产业应用，这一成果有望为极端环境下关键部件应用提供保障，推动相关行业发展。
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