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。

　　钢筋铁骨，是用来形容骨骼如同钢铁打铸般坚硬。近日，科学家们基于骨头的内部结构，设计出了一款新型仿生超级钢铁，这款钢铁所具有的超强韧性是普通钢铁所望尘莫及的。

　　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。

atv，极大提升韧性解决金属疲劳" src="http://www.wzatv.cc/atv/uploads/allimg/170319/0416114C2_0.jpeg" />

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