伯克利、牛津等机构的研究人员在《自然》报告称,两种铌钛合金在20开尔文下借助纳米尺度孪晶抵抗开裂,为极低温材料设计提供了线索。
加州大学伯克利分校、劳伦斯伯克利国家实验室和牛津大学的研究人员报告称,两种实验性金属合金在20开尔文(零下253摄氏度,即零下424华氏度)下仍表现出出色的损伤容限,而同类金属在这一温度下通常会变脆。这项研究于10月14日发表在《自然》杂志,研究对象是体心立方金属,这一类金属包括铁、钨和铬,并以在极寒中从延性转为脆性而闻名。据研究团队介绍,两种均由铌和钛制成的合金,在测试的最低温度下都没有出现可测量的向脆性行为转变的迹象。
研究人员认为,原因在于它们应对应力的方式不同。通常这些金属依靠称为位错的晶体缺陷移动来变形,但温度降低时位错更难移动,小裂纹就可能扩展并导致断裂。在新合金中,团队观察到纳米尺度的孪晶现象,即晶体的小区域重新排列成镜像对称的图案,同时伴随局部晶体结构的变化。当这些区域到达相邻晶体的边界时,会集中应力并产生新的位错,使金属获得新的变形途径,而不是开裂。实验在拉伸样品的同时使用氦气冷却,并在牛津郡的ISIS中子与μ子源上使用中子束,随后进行电子显微镜观察、原子探针分析和计算机建模。
作者认为,这一结果改变了人们理解这类金属脆性的方式:在界面处产生新位错的能力,可能与已有位错移动的难易同样重要。他们提出,这为设计适用于低温环境的结构金属提供了一条路径,可能与能源系统、交通运输和航空航天相关。这些发现来自对两种实验合金的实验室测试;本文依据的是经ScienceDaily发布的大学新闻稿,而非对论文的独立研读,因此这一方法能否轻易转化为商业材料仍不明确。
