西安交大科研人員發現金屬韌脆轉變新機制

1912年4月，泰坦尼克號與一座冰山相撞，造成船體斷成兩截，沉入大西洋海底。為什麼有“永不沉沒”美譽的泰坦尼克號會因觸礁冰山而沉沒？當時工程師為了增加鋼的強度，往鍊鋼原料中添加了大量硫化物，雖然強度得以提升，但也大大降低了鋼的韌性。由於鉚釘和鋼板在低溫時像玻璃一樣脆而易折，當泰坦尼克號撞上冰山時（水溫接近0℃），鉚釘斷裂，船殼解體，釀成了泰坦尼克號沉沒的悲劇。

不僅鋼鐵表現出低溫脆性，研究人員發現釩、鉻、鉬、鎢等金屬也有同樣的性質：在臨界溫度（稱為“韌脆轉變溫度”）之上，材料具有較好的塑性，低於臨界溫度時，材料突然從韌性轉變為脆性，幾乎喪失了塑性變形能力，這個過程稱之為“韌脆轉變”。其中，鉻、鉬、鎢等金屬的韌脆轉變溫度較高，在室溫下，這些金屬脆的像玻璃一樣，極大地限制了它們的應用。

為什麼鐵、鉻、鎢等體心立方金屬都具有如此特殊的“韌脆轉變”行為呢？從1860年以來，材料的低溫脆性問題一直困擾著幾代研究者，是一個百年難題。一般認為金屬的韌脆轉變與螺位錯運動密切相關，研究者也先後提出了位錯形核主導和位錯滑移主導的兩種韌脆轉變機制。然而，現有理論很難解釋韌脆轉變的突然性，即由韌到脆的轉變發生在很窄的溫度區間。

近日，西安交通大學材料學院韓衛忠教授課題組系統研究了金屬鉻的韌脆轉變機理，發現螺/刃位錯的相對運動速度是控制金屬韌脆轉變的關鍵因素。金屬一般靠位錯運動來協調變形，根據伯氏向量的不同，位錯分為螺位錯和刃位錯。在體心立方金屬中，由於螺位錯特殊的三維位錯核心結構，運動時晶格摩擦力很大，導致其滑移困難。螺位錯運動是一個熱啟用的過程，通常溫度越低，運動速度越慢。研究人員發現，螺位錯和刃位錯的相對速度在調控金屬塑形變形能力中有重要的作用。這就像“兩人三足”遊戲一樣，如果一個人步子很大，另一個人步子很小，那就一定會摔倒；只有兩個人的步子協調在一定範圍時，才可以快速向前跑。隨溫度的降低，螺位錯運動速度越來越慢，螺/刃位錯速度比值越來越小；當小到一定程度時，位錯就很難透過滑移協調變形，導致金屬材料脆斷。然而，螺/刃相對移動速度的比值達到多少才能完全協調變形呢？研究人員採用奈米壓入的方法（如圖1），透過觀察壓痕下位錯的分佈特徵，定量測量了不同溫度下螺/刃位錯的相對運動速度。研究表明，當螺/刃位錯的速度比值大於0。7時，金屬鉻從脆性轉變到韌性。

圖 1 鉻在不同溫度壓痕突跳後形成的位錯結構

研究人員發現，脆韌轉變的過程實際上是位錯源從一次性、不可再生的位錯源轉變為連續的、可再生的位錯源的過程，並且提出了相應的物理模型（圖2）。基於該物理模型，可以根據位錯的幾何形狀來估算螺/刃位錯的相對速度。統計發現，鐵、鋁、鎢等金屬的脆韌轉變均需滿足螺/刃位錯速度比值大於0。5的臨界條件。當低於韌脆轉變溫度時，即低於螺/刃相對速度的臨界比值時，位錯源效率比較低，只能發射少量位錯來協調變形，導致金屬材料韌性較低。當螺/刃位錯的相對速度高於臨界比值時，部分位錯線從一次性位錯源轉變為可再生的弗蘭克-裡德位錯源，效率大大提高，可以源源不斷產生位錯協調變形，促進交滑移，使得金屬材料具有良好的變形能力，這就導致了“韌脆轉變”現象的發生。金屬變形對位錯源效率和交滑移能力的臨界需求造成了韌脆轉變的突然性。

圖 2 位錯相對速度與位錯源有效性的物理模型及實驗驗證

相關工作以“

Relative Mobility of Screw versus Edge Dislocations Controls the Ductile-to-Brittle Transition in Metals

”為題發表在《美國科學院院刊》（

PNAS

）上。西安交通大學材料學院博士生盧巖為論文第一作者，韓衛忠教授為論文通訊作者，合作者包括馬恩教授和張雨衡博士。該工作得到了國家自然科學基金優青、面上和西安交通大學青年拔尖人才支援計劃等專案的共同資助。

論文連結：https：//www。pnas。org/content/118/37/e2110596118