工程结构中的材料和构件往往承载着循环载荷的作用，在服役过程中性能不断劣化，产生损伤的累积，不可避免地面临疲劳失效的问题。据不完全统计，全球每年因工程结构件失效造成的经济损失可达GDP的3~5%，其中，因材料和构件的疲劳破坏导致的失效可占总事故的50%，因此，材料和构件的疲劳失效一直是国内外学术界和工业界重点关心的问题。

近日，中国科学院金属研究所沈阳材料科学国家研究中心的卢磊研究员团队在金属材料领域取得重大突破，团队提出了一种全新的结构设计思路，使金属材料在保持高强度、高塑性的同时，大幅提升稳定性，突破了金属材料强度-塑性-稳定性的“不可能三角”。这项成果于4月4日发表在国际学术期刊《科学》上。

论文链接：//www.science.org/doi/10.1126/science.adt6666

梯度位错结构304不锈钢σmax=570MPa循环蠕变过程中的结构演变特征（图源：中国科学院）

棘轮效应是材料或结构在非对称应力循环作用下产生的一种循环塑性应变的累积现象，这一现象的产生会导致结构变形超限或者疲劳寿命降低而不能正常工作，是许多重大工程的安全隐患。为有效解决这一问题，卢磊团队通过精确控制金属的特定往复扭转工艺，成功在材料内部引入一种空间梯度序构位错胞结构。该结构可以显著阻碍位错的移动，使材料的屈服强度提高了2.6倍，平均棘轮变形速率大幅降低，突破了传统结构材料抗棘轮损伤性能难以提升的瓶颈。

据了解，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。