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。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。
近期，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和美国佐治亚理工学院朱廷教授合作在这一科学难题方面取得重要研究进展，相关研究结果于北京时间2025年4月4日在《科学》(
Science
)周刊在线发布。
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
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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
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不锈钢在不同最大应力下的棘轮响应
。
© 2025 AAAS
图
3、
梯度位错
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不锈钢循环加载后的变形微观结构。
© 2025 AAAS
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4、
密排六方纳米层与层错的强化机制。
© 2025 AAAS
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).
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