金屬也有“慢性病”？
打個比方，如果把金屬看成長期處于高壓狀態(tài)的上班族，它也會患上疲勞損傷等“慢性病”——專業(yè)名稱為循環(huán)蠕變或棘輪效應(yīng)。就像生銹的齒輪卡住后，只能單向轉(zhuǎn)動，金屬在反復(fù)承受循環(huán)應(yīng)力后，內(nèi)部結(jié)構(gòu)也會“卡”住，積累損傷直到突然斷裂。
金屬由無數(shù)微小的晶粒堆疊而成，就像“壘積木”，其內(nèi)部變形通常借助“錯位的接縫”（即“位錯”）來協(xié)調(diào)。當(dāng)金屬被反復(fù)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(dǎo)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(yuǎn)，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(fēng)險。一些金屬表面看似完好，內(nèi)部卻已布滿“裂紋”，可能毫無預(yù)兆地斷裂。歷史上的多起空難、橋梁坍塌都與此有關(guān)。傳統(tǒng)高強(qiáng)度金屬像“肌肉男”，雖然能扛重物，但反復(fù)彎曲時容易“抽筋”（即“循環(huán)軟化”），局部區(qū)域“肌肉溶解”（即“應(yīng)變局域化”），直至突然崩潰。
金屬的“健康”也關(guān)系著科技的發(fā)展。在航天發(fā)動機(jī)葉片、核電站管道等“高壓崗位”，傳統(tǒng)金屬很難承受極端考驗。
科學(xué)界曾經(jīng)廣泛采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(qiáng)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(shù)結(jié)構(gòu)來增加塑性，但這些結(jié)構(gòu)在循環(huán)應(yīng)力下會“抱團(tuán)偷懶”或結(jié)構(gòu)粗化，反而讓損傷容易集中在局部。
更棘手的是，傳統(tǒng)理論認(rèn)為，高強(qiáng)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松選手的耐力，一度被認(rèn)為不可兼得。
前不久，由中國科學(xué)院金屬研究所領(lǐng)銜的國際科研團(tuán)隊提出了一種全新的結(jié)構(gòu)設(shè)計思路，通過自主開發(fā)的往復(fù)扭轉(zhuǎn)技術(shù)改變金屬材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，使其在保持高強(qiáng)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(huán)境下關(guān)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(jié)構(gòu)，就像給金屬穿上特制盔甲——外層是“高密度鋼絲網(wǎng)”（表面高密度位錯區(qū)），中層是“緩沖海綿”（過渡層），內(nèi)層是“韌性彈簧”（內(nèi)部低密度區(qū)）。有序的結(jié)構(gòu)讓應(yīng)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(dāng)金屬在循環(huán)應(yīng)力下“受傷”時，內(nèi)部會觸發(fā)神奇的自愈機(jī)制：原子們集體“變身”，從面心立方結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換為密排六方結(jié)構(gòu)，同時生成無數(shù)亞10納米的共格層片。這些層片相當(dāng)于用“釘子陣”阻擋位錯前進(jìn)，把滑動的位錯“抓”住存好，防止金屬繼續(xù)受損。“變身”釋放的能量還能讓位錯結(jié)構(gòu)像細(xì)胞分裂一樣持續(xù)細(xì)化，達(dá)到“增肌”效果。
這項技術(shù)打破了科學(xué)界的傳統(tǒng)認(rèn)知——新材料在強(qiáng)度提升2.6倍的同時，抗循環(huán)蠕變能力比同類材料增強(qiáng)百倍甚至萬倍，相當(dāng)于造出既能舉起卡車又能跑馬拉松的機(jī)器人。未來，這項技術(shù)有望延長工業(yè)裝備使用年限，如延長火箭發(fā)動機(jī)葉片壽命、延長核反應(yīng)堆壓力容器服役年限等。
（作者為中國科學(xué)院金屬研究所研究員潘慶松，記者劉佳華整理）
