編輯總結
為了延長金屬合金的使用壽命，科研人員采用了多種強化手段，但這些方法往往會降低合金在非對稱應力循環下的抗疲勞能力，從而導致累積的單向塑性應變。本文展示了通過在單相面心立方結構的304不銹鋼中構建位錯胞的梯度層級結構，可以同時實現高強度與優異的循環蠕變抗性。在非對稱循環應力作用下，持續發生的層錯結構形成與晶體結構轉變推動了材料的持續結構細化。這一過程增強了應變硬化能力，抑制了動態回復，并緩解了應變局域化，從而顯著降低了累積的棘輪應變。 ——Marc S. Lavine
研究背景
循環蠕變（或稱棘輪效應）是一種嚴重的疲勞變形形式，源于在具有非零平均應力的非對稱應力循環下產生的累積單向塑性應變，常導致結構材料的過早失效，因此提升材料的棘輪抗性是材料工程中的一大挑戰。
為此，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合作在Science期刊上發表了題為“Superior resistance to cyclic creep in a gradient structured steel”的最新論文。該團隊在高強度奧氏體不銹鋼中構建了具有梯度層級的位錯胞結構，實現了優異的棘輪抗性，其棘輪速率比粗晶對照樣品低2到4個數量級。
這種抗性的來源在于：在應力循環過程中，位錯胞內部持續發生形變誘導的馬氏體相變，生成具有六方密排結構的納米層，進而推動微觀結構持續細化。精細化的微觀結構有效緩解了循環軟化現象，抑制了應變局域化，從而顯著降低了棘輪應變。梯度位錯結構為設計高強度、耐棘輪材料提供了一種新穎而有效的策略。
研究亮點
（1）實驗首次在單相奧氏體304不銹鋼中引入梯度層級位錯胞結構，成功實現了在保持高強度的同時顯著提升材料在非對稱應力循環下的棘輪抗性。相比傳統粗晶304不銹鋼，該結構使材料的棘輪速率降低了2到4個數量級，展示出優異的抗循環蠕變性能。
（2）實驗通過構建穩定的位錯胞梯度結構，誘導在應力循環過程中持續發生面心立方到六方密排結構的相變，形成納米尺度的馬氏體相層。
這一結構不斷推動微觀組織的細化，有效提升了材料的應變硬化能力，并減少了動態回復過程，從而緩解了循環軟化。
同時，細化的結構抑制了應變局域化的發生，延緩了裂紋的形成與擴展，顯著降低了棘輪應變累積。
研究表明，傳統通過成分設計或重度變形獲得的高強材料雖在初期循環中表現良好，但由于加工硬化能力差和容易軟化，無法維持長期抗棘輪性能。
圖文解讀
圖1、典型的梯度位錯晶胞微觀結構。
圖2、梯度位錯304不銹鋼在不同最大應力下的棘輪響應。
圖3、梯度位錯304不銹鋼循環加載后的變形微觀結構。
圖4、密排六方納米層與層錯的強化機制。
結論展望
總之，本研究通過在單相面心立方結構304不銹鋼中構建位錯胞的梯度層級結構，實現了高強度與優異的循環蠕變（棘輪效應）抗性的結合。在非對稱循環應力作用下，持續的層錯形成和面心立方到六方密排的協同馬氏體相變推動了結構的持續細化，微觀結構從亞微米級位錯胞演變為穩定位錯胞中的面心立方-六方密排納米層網絡。
該逐步細化的微結構增強了應變硬化能力，減少了動態回復，并有效抑制了應變局域化，顯著降低了累積棘輪應變，即使在長期循環下也能保持其優異性能。通過調整合金成分或變形條件，持續微觀結構細化的原理以及變形誘導的面心立方到六方密排馬氏體相變可應用于其他合金體系。
原文詳情：
Qingsong Pan et al. ,Superior resistance to cyclic creep in a gradient structured steel.Science388,82-88(2025).
DOI:10.1126/science.adt6666
