金属也有“慢性病”？

打个比方，如果把金属看成长期处于高压状态的上班族，它也会患上疲劳损伤等“慢性病”——专业名称为循环蠕变或棘轮效应。就像生锈的齿轮卡住后，只能单向转动，金属在反复承受循环应力后，内部结构也会“卡”住，积累损伤直到突然断裂。

金属由无数微小的晶粒堆叠而成，就像“垒积木”，其内部变形通常借助“错位的接缝”（即“位错”）来协调。当金属被反复拉扯或挤压时，这些接缝会像被推倒的多米诺骨牌一样滑动，导致变形。如果受力方向总偏向一边，位错就会朝着一个方向越滑越远，金属的“骨骼”就会慢慢被压垮。

金属“慢性病”的危害有多大？

一方面，金属“慢性病”会带来极大的安全风险。一些金属表面看似完好，内部却已布满“裂纹”，可能毫无预兆地断裂。历史上的多起空难、桥梁坍塌都与此有关。传统高强度金属像“肌肉男”，虽然能扛重物，但反复弯曲时容易“抽筋”（即“循环软化”），局部区域“肌肉溶解”（即“应变局域化”），直至突然崩溃。

金属的“健康”也关系着科技的发展。在航天发动机叶片、核电站管道等“高压岗位”，传统金属很难承受极端考验。

科学界曾经广泛采用两种方案治疗金属“慢性病”：一种是给金属“增肌”，即通过把金属晶粒打碎成“纳米肌肉纤维”来提高金属强度，但这类材料易脆，一弯就断；另一种就是给金属“减脂”，即引入位错等柔术结构来增加塑性，但这些结构在循环应力下会“抱团偷懒”或结构粗化，反而让损伤容易集中在局部。

更棘手的是，传统理论认为，高强度和抗疲劳如同“鱼与熊掌”，就像要求一个人同时拥有举重冠军的力量和马拉松选手的耐力，一度被认为不可兼得。

前不久，由中国科学院金属研究所领衔的国际科研团队提出了一种全新的结构设计思路，通过自主开发的往复扭转技术改变金属材料的内部结构，使其在保持高强度、高塑性的同时，平均棘轮变形速率大幅降低，有望大幅提升极端环境下关键部件的使用寿命。

这样一套“治疗方案”，重点是两味“药”。一是梯度位错结构，就像给金属穿上特制盔甲——外层是“高密度钢丝网”（表面高密度位错区），中层是“缓冲海绵”（过渡层），内层是“韧性弹簧”（内部低密度区）。有序的结构让应力被层层分散，外力像“拳头打在棉花上”。二是共格马氏体相变，这可以理解为“纳米修理工”。当金属在循环应力下“受伤”时，内部会触发神奇的自愈机制：原子们集体“变身”，从面心立方结构转换为密排六方结构，同时生成无数亚10纳米的共格层片。这些层片相当于用“钉子阵”阻挡位错前进，把滑动的位错“抓”住存好，防止金属继续受损。“变身”释放的能量还能让位错结构像细胞分裂一样持续细化，达到“增肌”效果。

这项技术打破了科学界的传统认知——新材料在强度提升2.6倍的同时，抗循环蠕变能力比同类材料增强百倍甚至万倍，相当于造出既能举起卡车又能跑马拉松的机器人。未来，这项技术有望延长工业装备使用年限，如延长火箭发动机叶片寿命、延长核反应堆压力容器服役年限等。

（作者为中国科学院金属研究所研究员潘庆松，记者刘佳华整理）