西安交大科研人员发现金属韧脆转变新机制

1912年4月，泰坦尼克号与一座冰山相撞，造成船体断成两截，沉入大西洋海底。为什么有“永不沉没”美誉的泰坦尼克号会因触礁冰山而沉没？当时工程师为了增加钢的强度，往炼钢原料中添加了大量硫化物，虽然强度得以提升，但也大大降低了钢的韧性。由于铆钉和钢板在低温时像玻璃一样脆而易折，当泰坦尼克号撞上冰山时（水温接近0℃），铆钉断裂，船壳解体，酿成了泰坦尼克号沉没的悲剧。

不仅钢铁表现出低温脆性，研究人员发现钒、铬、钼、钨等金属也有同样的性质：在临界温度（称为“韧脆转变温度”）之上，材料具有较好的塑性，低于临界温度时，材料突然从韧性转变为脆性，几乎丧失了塑性变形能力，这个过程称之为“韧脆转变”。其中，铬、钼、钨等金属的韧脆转变温度较高，在室温下，这些金属脆的像玻璃一样，极大地限制了它们的应用。

为什么铁、铬、钨等体心立方金属都具有如此特殊的“韧脆转变”行为呢？从1860年以来，材料的低温脆性问题一直困扰着几代研究者，是一个百年难题。一般认为金属的韧脆转变与螺位错运动密切相关，研究者也先后提出了位错形核主导和位错滑移主导的两种韧脆转变机制。然而，现有理论很难解释韧脆转变的突然性，即由韧到脆的转变发生在很窄的温度区间。

近日，西安交通大学材料学院韩卫忠教授课题组系统研究了金属铬的韧脆转变机理，发现螺/刃位错的相对运动速度是控制金属韧脆转变的关键因素。金属一般靠位错运动来协调变形，根据伯氏矢量的不同，位错分为螺位错和刃位错。在体心立方金属中，由于螺位错特殊的三维位错核心结构，运动时晶格摩擦力很大，导致其滑移困难。螺位错运动是一个热激活的过程，通常温度越低，运动速度越慢。研究人员发现，螺位错和刃位错的相对速度在调控金属塑形变形能力中有重要的作用。这就像“两人三足”游戏一样，如果一个人步子很大，另一个人步子很小，那就一定会摔倒；只有两个人的步子协调在一定范围时，才可以快速向前跑。随温度的降低，螺位错运动速度越来越慢，螺/刃位错速度比值越来越小；当小到一定程度时，位错就很难通过滑移协调变形，导致金属材料脆断。然而，螺/刃相对移动速度的比值达到多少才能完全协调变形呢？研究人员采用纳米压入的方法（如图1），通过观察压痕下位错的分布特征，定量测量了不同温度下螺/刃位错的相对运动速度。研究表明，当螺/刃位错的速度比值大于0.7时，金属铬从脆性转变到韧性。

图 1 铬在不同温度压痕突跳后形成的位错结构

研究人员发现，脆韧转变的过程实际上是位错源从一次性、不可再生的位错源转变为连续的、可再生的位错源的过程，并且提出了相应的物理模型（图2）。基于该物理模型，可以根据位错的几何形状来估算螺/刃位错的相对速度。统计发现，铁、铝、钨等金属的脆韧转变均需满足螺/刃位错速度比值大于0.5的临界条件。当低于韧脆转变温度时，即低于螺/刃相对速度的临界比值时，位错源效率比较低，只能发射少量位错来协调变形，导致金属材料韧性较低。当螺/刃位错的相对速度高于临界比值时，部分位错线从一次性位错源转变为可再生的弗兰克-里德位错源，效率大大提高，可以源源不断产生位错协调变形，促进交滑移，使得金属材料具有良好的变形能力，这就导致了“韧脆转变”现象的发生。金属变形对位错源效率和交滑移能力的临界需求造成了韧脆转变的突然性。

图 2 位错相对速度与位错源有效性的物理模型及实验验证

相关工作以“Relative Mobility of Screw versus Edge Dislocations Controls the Ductile-to-Brittle Transition in Metals”为题发表在《美国科学院院刊》（PNAS）上。西安交通大学材料学院博士生卢岩为论文第一作者，韩卫忠教授为论文通讯作者，合作者包括马恩教授和张雨衡博士。该工作得到了国家自然科学基金优青、面上和西安交通大学青年拔尖人才支持计划等项目的共同资助。

论文链接：https://www.pnas.org/content/118/37/e2110596118