钢铁，可以说是人们最为常见的金属之一。在上千年的历史长河中，人们熟练地掌握了钢铁的冶炼与加工技术，使其成为人们生活中密不可分的一部分。时值今日，钢铁已经被广泛地运用于各类建筑、基础设施、机械、船舶、汽车等各色领域。在结构材料领域，钢铁也是当仁不让的老大哥。

    但是，钢铁也有其“阿喀琉斯之踵”。钢铁这类金属易被划割而形成微小裂纹，这些微小裂纹如不加以限制，可能在钢铁内部扩展，最终将导致整块结构材料断裂失效。而这一“金属疲劳”现象是 “钢”结构件失效的最为常见的因素之一。麻省理工学院冶金学教授瑟末·塔桑（Cemal Cem Tasan）表示，“大部分材料的失效事故，是有由金属疲劳引起。”

    “金属疲劳”的定义是：金属结构件因持续受到动态变化的应力而导致结构劣化，即使这样的应力远小于该金属静态下发生永久变形所需要的应力。

    举个例子来说，在我们日常所乘坐的飞机上，机舱内在起飞与下降过程中常常伴有气压变化，这就导致机舱材料反复地膨胀收缩，从而可能造成金属内部萌生出微小裂缝。而在长期这样的周期性应力作用下，裂纹可能进一步增长，进而引发整个结构件的突然断裂。

    事实上，金属疲劳正是在早期航空史中，引发数起飞机失事的罪魁祸首。塔桑教授说道，“我们是否能设计出一种新材料，即使裂纹开始萌生之后，其微观结构能够有效地阻止其裂纹扩展？”

    
    近日，来自日本九州大学、德国马克斯-普朗克研究所和美国麻省理工学院的研究人员从骨头中汲取了灵感，开发出了一款拥有具有超高抗疲劳断裂性能的“超级钢铁”。该研究结果发表于最近出版的《科学》杂志上（M. Koyama, et al. Science, 2017 （355）， 1055-1057）。

    实际上，避免金属结构件材料因金属疲劳而导致断裂，一直是材料工程学家所面临的棘手难题。

    然而，不尽如人意的是，工程师们在现阶段常常只能采用了一种“治标不治本”的手段：在设计结构时，选择一个较大的安全系数，进而留出一定的安全裕量——不可避免的是，此举也增加了额外的成本与重量，也多多少少折射出工程师们的些许无奈：设计出一款具有超高抗疲劳性能的新型结构材料犹如无源之水，让人无从着手。

    人骨的微观结构及其阻止裂纹萌生的机理示意图

    但是，大自然又一次赋予了研究人员以灵感。近些年来，科学家们逐渐注意到，人的骨头具有优异的抗断裂韧性。特别是考虑到人类骨头的重量，这一轻质材料所拥有的出众性能尤其令人瞩目。

    科学家们已经发现，人类骨头具有的超高韧性根源来自其具有的多层结构（Hierarchical structure）。在纳米尺度上，细小的胶原纤维排列成板层状，而不同的纤维板层又按着不同的方向排列生长。而在更大的微米级尺度上，这些紧密的纤维板层组成了形似晶格的密质骨。

    这些卓尔不群的结构特点使得人骨头在保持轻质和强键的同时，还能阻止裂纹向各个方向进一步扩展。

    常见钢铁与“超级钢铁”显微组织示意图

    相比于目前已经商业化应用的普通钢铁而言，研究人员开发出的这款名义成分为Fe-9Mn-3Ni-1.4Al-0.01C （质量分数）超级钢的微观结构显得独树一帜。这种超级钢铁集三大特点于一身：其一，含有多个合金相（由多于一个相构成）。其二，具有纳米层片结构。其三，拥有亚稳相。

    在这种材料之中，萌生的裂纹尖端会诱发原奥氏体向马氏体结构转变。而由于这种转变会引起体积膨胀，因而会在材料的内部形成残余应力（压力），进而能够起到了粘合萌生裂纹的效果。通过调整奥氏体和马氏体的相组成比例，从而既能很好的阻碍微裂缝的形成，又不至于引起新的缺陷。

    不仅如此，这一新超级钢铁还拥有具有不同硬度的多种合金成分。这样一来，即使萌生了裂纹，它也将难以扩展，从而降低了这一丝丝小裂缝进一步生长的可能。

    除此之外，多个合金相组成的微观结构使得材料的某些区域具有更好柔韧性，从而有助于吸收施加于钢铁上的周期性应力。在某些情况下，甚至还有可能弥合萌生的裂纹。如此一来，这款具有独特的界面结构，相分布和相稳定性的超级钢铁能够同时激活多个抵抗裂纹扩展机制。

    疲劳测试表明，与常规的钢铁（如铁素体-马氏体双相钢，纳米层片的珠光体钢和相变诱发塑性钢）相比，这一款“超级钢铁”拥有明显机械抗裂性能的提升。

    可以想象，在未来的某日，工程师们将有望把这种钢材用于制作桥梁或者航空器材上，从而有效地避免因金属疲劳导致裂纹萌生，亦或在始料未及的时刻突然引起构件断裂失效的问题。

    虽然这一款超级钢铁已经横空出世，但这次的材料设计中的飞跃，只能称作“万里长征的第一步”。本论文通讯作者之一的塔桑教授直言，在下一步，他们将寻求进一步扩大制备工艺，并探索商业化的可能。

    不过，与之前曾经报道过的同样具有超高韧性的高熵合金和蚕丝相比，钢铁的加工与制备工艺要成熟得多。本文的第一作者，九州大学的材料系教授本道小山（Motomichi Koyama）表示，传统的钢铁加工工艺应该能够运用到这一材料之中。他很有信心的表示，“（与研发相比）材料的扩大化应该不是个大问题”。

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责任编辑：刘洋

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