- 新型合金在極低溫下保持韌性，避免斷裂。
- 體心立方金屬在低溫下通常變得脆弱。
- 納米尺度的雙晶現象有助於金屬變形。
- 研究結果對極端環境下的材料設計有啟示。
一對實驗合金在 20 開爾文（即華氏零下 423 度或攝氏零下 253 度）的極低溫下依然保持韌性，這是同類金屬通常變得脆弱並斷裂的溫度。這項研究由加州大學伯克利分校、勞倫斯伯克利國家實驗室及牛津大學的國際團隊主導，研究指出，基於鋼鈮和鈦的合金透過一種不尋常的微觀機制來避免失效，這可能對設計適用於低溫環境的材料提供指導。
為何寒冷會使某些金屬斷裂
金屬在低溫下的脆弱性
大多數金屬在冷卻時會變得更強，但體心立方金屬（如鐵、鎢和鉻）則因其原子結構，隨著溫度下降而變得愈發脆弱。在極低的溫度下，通常會因金屬彎曲而被吸收的裂縫，可能會導致其斷裂。這些金屬的彎曲過程嚴重依賴位錯，即晶體結構中的線狀缺陷，這些缺陷在材料內部滑動。在深冷環境下，位錯的移動變得更困難，這限制了金屬在裂縫周圍變形的能力，從而增加了斷裂的可能性。
不同的彎曲路徑
合金的變形機制
在這兩種合金中，則有不同的過程主導。研究人員觀察到納米尺度的雙晶現象，小區域的晶體排列成鏡像取向，並且局部晶體結構發生變化。當這些新形成的區域到達相鄰晶體的邊界時，會產生集中應力點，觸發新的缺陷。這些缺陷使金屬能夠繼續變形而不會斷裂。研究團隊將其比作道路網絡在凍結的封閉道路上重新規劃：當通常的變形路徑變得難以使用時，雙晶會開啟新的地方，讓所需的缺陷形成。
在最低測試溫度下，這些合金未顯示出可測量的脆性行為轉變。
在深冷環境下的測試
研究人員利用牛津郡的 ISIS 中子與μ子源的 Engin-X 儀器，將樣品冷卻至約攝氏零下 253 度，並使用氣體氦進行測試。測試機器從兩端拉扯每個樣品，同時用中子束進行探測，測量金屬能承受的力量及其在失效前拉伸的距離。隨後，電子顯微鏡揭示了裂縫周圍及材料內部的結構變化，而原子探針分析則繪製了各個元素的分佈。計算機模型幫助解釋這些機制如何協同工作以防止脆性失效。
研究的意義
研究的潛在應用
來自牛津大學工程科學系的通訊作者 Dong Liu 表示，韌性到脆性轉變長期以來被視為體心立方金屬的一個基本限制。他指出，這些合金在 20 開爾文下仍然「相當耐損傷」，這為設計在極端低溫環境下運作的結構金屬提供了一條新的思路，其中包括在一項應用中暴露於極端高溫和低溫的組件。主筆 David Cook 在研究期間曾於加州大學伯克利分校，現時則在劍橋大學工作，他提到研究人員過去通常專注於現有位錯移動的容易程度。
他表示，在界面創建新位錯的能力或許同樣重要，這可以讓設計者建立可在極端溫度下保持金屬韌性的微結構。
研究人員指出，這項發現可能對能源、交通和航空航天領域的材料設計有所啟示。其他參與機構包括布里斯托大學、ISIS 中子與μ子源、加州大學爾灣分校、太平洋西北國家實驗室、德州 A&M 大學及新加坡南洋理工大學。該研究首次發表於《自然》期刊。
新合金對極端環境的應用潛力
這項研究揭示了新型合金在極低溫下保持韌性的機制，挑戰了以往對體心立方金屬的認知。傳統上，這類金屬在低溫下會變得脆弱，而新合金則透過納米尺度的雙晶現象來避免失效，顯示出其在極端條件下的應用潛力。這對能源、交通及航空航天等領域的材料設計具有重要意義，可能促進更耐用的結構金屬的開發，從而提升相關技術的可靠性和安全性。