卢磊团队，再发Science!

1.【科学背景】

循环蠕变（棘轮效应），是工程材料在非对称应力循环下累积单向塑性应变导致的失效现象，广泛存在于涡轮叶片、核反应堆管道、压力容器等关键结构中，每年因材料失效造成的经济损失超过千亿美元。传统高强度材料在提高强度的同时，难以平衡抗棘轮性能：粗晶材料（如304不锈钢）在预应变后虽短期强化，但长期循环易引发位错胞粗化和应变局部化，导致软化加速；纳米结构材料（如UFG铜）虽初期抗棘轮性能优异，但高密度晶界和位错在循环加载下引发的动态回复，会造成结构退化和裂纹产生。以奥氏体不锈钢为例，其传统强化方法（如固溶强化、析出强化）虽能提升强度，但位错滑移阻力增加导致循环硬化能力受限，应变局部化引发的微裂纹成为失效的主要原因。多元合金虽兼具高强度和延性，但非对称加载下的塑性应变积累仍难以控制。因此，开发兼具高强度、高硬化能力和高抗局部应变的材料，成为当前材料工程领域的核心挑战。

2.【创新成果】

基于以上研究背景，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和美国佐治亚理工学院朱廷教授（通讯作者）研究团队通过梯度位错结构设计，在奥氏体304不锈钢中实现了优异的抗棘轮性能。他们通过循环扭转工艺在材料表层至芯部构建了梯度分布的位错晶胞，在循环加载下，晶胞通过层错（SFs）累积触发面心立方（FCC）到密排六方（HCP）马氏体的相干相变，形成纳米层状结构，有效防止了位错滑移。梯度结构通过持续细化微观组织，还增强了应变硬化能力，降低动态回复，使棘轮应变率比粗晶材料低2-4个数量级。相关研究成果以“Superior resistance to cyclic creep in a gradient structured steel”为题发表在最新Science期刊上。

图1. 典型的梯度位错晶胞微观结构。© 2025 AAAS

图2. 梯度位错304不锈钢在不同最大应力下的棘轮响应。© 2025 AAAS

图3. 梯度位错304不锈钢循环加载后的变形微观结构。© 2025 AAAS

图4. 密排六方纳米层与层错的强化机制。© 2025 AAAS

   3.【科学启迪】

这是卢磊团队继发现梯度纳米孪晶金属额外强化与加工硬化（Science, 2018）、梯度位错结构的高强塑性（Science, 2018）、梯度序构位错结构实现晶体低温超高应变硬化（Science, 2023）之后，关于金属梯度位错结构优化的又一重要发现。本工作中提出的梯度位错设计可推广至其他合金体系（如铝合金、钛合金），通过成分优化进一步调控相变行为。通过探索梯度位错晶胞尺寸、密度与强度的关系、优化梯度分布可以进一步平衡强度与韧性。在此基础上，结合晶体塑性模型与分子动力学，可以深入揭示梯度结构在复杂应力下的变形机制。本研究对于发展晶体材料应变硬化理论、研究高温及腐蚀等环境下梯度结构的抗棘轮性能衰减规律、推动工程应用，具有重要意义。

原文详情：Pan, et al. Superior resistance to cyclic creep in a gradient structured steel, Science (2025).