在金属的世界里，一直存在着一个“不可能三角”，强度、塑性和使用过程中的稳定性。这三种特性往往不可能兼得。

  日前，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领衔的相关研究，在这一科学难题方面取得重要研究进展，他们提出一种全新的结构设计思路，成功让金属材料突破了“不可能三角”，相关研究结果于4月4日在《科学》周刊发布。

  疲劳是金属材料最主要的失效形式之一，尤其在承受循环应力或交变载荷的工程结构中更为突出。比如航空发动机涡轮叶片和跨海大桥主缆。据介绍，疲劳失效通常在应力水平远低于材料屈服强度时发生，具有突发性和隐蔽性，对工程安全构成严重威胁。其中，循环蠕变（棘轮效应）是一种更严重的疲劳变形现象，表现为非对称应力循环与非零平均应力导致的循环塑性应变单向累积，最终引发不可逆转破坏。传统高强度材料常伴随循环软化和应变局域化，二者耦合加剧棘轮效应，加速构件过早疲劳失效。因此，提高高强度金属材料的抗循环蠕变损伤能力一直是材料工程领域的一项重大挑战。

  该研究通过在传统304奥氏体不锈钢中引入空间梯度序构位错胞结构，这些亚微米尺度的三维结构就像无数个“防撞墙”和防护网络，成功实现了高强度与优异抗循环蠕变性能的兼得。实验显示，其屈服强度提升2.6倍，同时较相同强度的不锈钢及其他合金，其棘轮应变速率降低了2-4个数量级，突破了结构材料抗棘轮损伤性能难以提升的瓶颈。

  这是本团队继发现梯度位错结构合金材料中高强度、高塑性、低温超高应变硬化之后，进一步发现了梯度序构位错不锈钢通过激活超细共格马氏体相变，成功实现高强度与优异抗循环蠕变性能的协同提升。

  梯度序构位错结构作为一种普适性强韧化策略，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服役提供重要保障。该工作获得国家自然科学基金委重大研究计划、中国科学院先导项目以及全球共性挑战专项等项目资助。