金属材料的强度、塑性和稳定性通常是一个此消彼长的过程，三者很难同时提升，被称为“不可能三角”。中国科学家与国际同行合作的一项研究取得重要进展，提出了一种全新的结构设计思路，成功让金属材料在保持高强度和高塑性的同时，大幅提升抗“棘轮损伤”能力，实现长期使用的稳定性和可靠性。

这项研究由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与美国佐治亚理工学院合作伙伴共同完成，成果论文已在国际权威学术期刊《科学》上线发表。卢磊研究员长期致力于金属材料机理等前沿基础研究，此前已取得多项突破性进展，并获得20多项发明专利授权。

金属材料在循环载荷下的疲劳失效是威胁重大工程安全的重要因素。例如，在航空航天领域，发动机涡轮叶片每秒钟承受上万次高温高压冲击；在跨海大桥建设中，悬索桥主缆需承受百万吨级动态荷载。这些国之重器的安全运行亟需突破金属材料的抗循环蠕变瓶颈，实现强度、塑性、稳定性“不可能三角”的综合提升。

金属不稳定具有突发性、隐蔽性、灾难性特征，其原因在于金属中的缺陷——位错。当金属受到单向波动外力时，位错会移动、积累，形成不可逆转的变形和裂纹，最终导致突然的断裂即“棘轮损伤”。

在这项研究中，研究团队提出一种多尺度空间梯度序构设计思路，这种设计如同在金属内部构筑起一道“强筋硬骨”屏障，使其能够抵御长期的更高应力冲击。具体来说，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，使材料屈服强度提升2.6倍，同时较相同强度的不锈钢及其他合金，其平均棘轮应变速率降低100至1万倍。

研究团队通过控制金属往复扭转的特定工艺参数，在其内部引入一种空间梯度有序分布的稳定位错胞结构，可以阻碍位错的移动，相当于在金属材料内安装了精密排列的原子“防撞墙”。当外力来袭时，梯度序构金属材料的“防撞墙”既能像弹簧一样吸收变形能量，又能在原子层面触发形态转换，进一步形成更密集、更细小的“防撞墙”，赋予金属令人惊叹的“遇强更强”的超能力。

卢磊表示，研究团队成功实现了金属材料高强度与优异抗循环蠕变性能的协同提升。这种破解强度-塑性-稳定性“不可能三角”的梯度序构作为一种普适性强的韧化策略，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应用提供重要保障。

展望未来，卢磊希望目前在实验室突破金属材料“不可能三角”的技术能早日走出实验室，在产业界和重大工程中做出示范应用，推动相关行业新质生产力的发展。她透露，后续研究将从基础研究角度深入理解梯度序构金属材料背后的物理机制，并尽快将实验室成果推向工程示范和产业应用，解决金属材料的重大应用难题，推动国民经济建设相关行业的高质量发展。