- 新型合金在极低温下保持韧性，避免断裂。
- 体心立方金属在低温下通常变得脆弱。
- 纳米尺度的双晶现象有助于金属变形。
- 研究结果对极端环境下的材料设计有启示。
一对实验合金在 20 开尔文（即华氏零下 423 度或摄氏零下 253 度）的极低温下依然保持韧性，这是同类金属通常变得脆弱并断裂的温度。这项研究由加州大学伯克利分校、劳伦斯伯克利国家实验室及牛津大学的国际团队主导，研究指出，基于钢铌和钛的合金透过一种不寻常的微观机制来避免失效，这可能对设计适用于低温环境的材料提供指导。
为何寒冷会使某些金属断裂
金属在低温下的脆弱性
大多数金属在冷却时会变得更强，但体心立方金属（如铁、钨和铬）则因其原子结构，随着温度下降而变得愈发脆弱。在极低的温度下，通常会因金属弯曲而被吸收的裂缝，可能会导致其断裂。这些金属的弯曲过程严重依赖位错，即晶体结构中的线状缺陷，这些缺陷在材料内部滑动。在深冷环境下，位错的移动变得更困难，这限制了金属在裂缝周围变形的能力，从而增加了断裂的可能性。
不同的弯曲路径
合金的变形机制
在这两种合金中，则有不同的过程主导。研究人员观察到纳米尺度的双晶现象，小区域的晶体排列成镜像取向，并且局部晶体结构发生变化。当这些新形成的区域到达相邻晶体的边界时，会产生集中应力点，触发新的缺陷。这些缺陷使金属能够继续变形而不会断裂。研究团队将其比作道路网络在冻结的封闭道路上重新规划：当通常的变形路径变得难以使用，双晶会开启新的地方，让所需的缺陷形成。
在最低测试温度下，这些合金未显示出可测量的脆性行为转变。
在深冷环境下的测试
研究人员利用牛津郡的 ISIS 中子与μ子源的 Engin-X 仪器，将样品冷却至约摄氏零下 253 度，并使用气体氦进行测试。测试机器从两端拉扯每个样品，同时用中子束进行探测，测量金属能承受的力量及其在失效前拉伸的距离。随后，电子显微镜揭示了裂缝周围及材料内部的结构变化，而原子探针分析则绘制了各个元素的分布。计算机模型帮助解释这些机制如何协同工作以防止脆性失效。
研究的意义
研究的潜在应用
来自牛津大学工程科学系的通讯作者 Dong Liu 表示，韧性到脆性转变长期以来被视为体心立方金属的一个基本限制。他指出，这些合金在 20 开尔文下仍然“相当耐损伤”，这为设计在极端低温环境下运作的结构金属提供了一条新的思路，其中包括在一项应用中暴露于极端高温和低温的组件。主笔 David Cook 在研究期间曾于加州大学伯克利分校，现时则在剑桥大学工作，他提到研究人员过去通常专注于现有位错移动的容易程度。
他表示，在界面创建新位错的能力或许同样重要，这可以让设计者建立可在极端温度下保持金属韧性的微结构。
研究人员指出，这项发现可能对能源、交通和航空航天领域的材料设计有所启示。其他参与机构包括布里斯托大学、ISIS 中子与μ子源、加州大学尔湾分校、太平洋西北国家实验室、德州 A&M 大学及新加坡南洋理工大学。该研究首次发表于《自然》期刊。
新合金对极端环境的应用潜力
这项研究揭示了新型合金在极低温下保持韧性的机制，挑战了以往对体心立方金属的认知。传统上，这类金属在低温下会变得脆弱，而新合金则透过纳米尺度的双晶现象来避免失效，显示出其在极端条件下的应用潜力。这对能源、交通及航空航天等领域的材料设计具有重要意义，可能促进更耐用的结构金属的开发，从而提升相关技术的可靠性和安全性。