加州大學(xué)伯克利分校、勞倫斯伯克利國家實(shí)驗(yàn)室與牛津大學(xué)聯(lián)合團(tuán)隊(duì)在《自然》雜志發(fā)表論文，報(bào)道兩種基于鈮鈦的金屬合金在極低溫環(huán)境下表現(xiàn)出優(yōu)異的抗裂紋擴(kuò)展能力。實(shí)驗(yàn)表明，這兩種合金在降至約20開爾文（約?253℃）時(shí)均未出現(xiàn)可測(cè)量的脆性轉(zhuǎn)變，其內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)能在常規(guī)變形受阻時(shí)生成新的缺陷路徑，從而維持材料的塑性變形能力。

金屬材料在極寒條件下常面臨強(qiáng)度上升但韌性驟降的問題，尤其體心立方結(jié)構(gòu)的鐵、鎢、鉻等金屬，其內(nèi)部的螺位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)高度依賴熱激活。降溫會(huì)顯著抑制位錯(cuò)滑移，使裂紋難以通過塑性變形釋放應(yīng)力，進(jìn)而誘發(fā)脆性斷裂。傳統(tǒng)合金設(shè)計(jì)多致力于降低位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)阻力，而該研究指出，材料在應(yīng)力集中區(qū)生成新位錯(cuò)的能力同樣是決定低溫韌性的關(guān)鍵因素。

研究團(tuán)隊(duì)對(duì)兩種合金進(jìn)行了對(duì)比測(cè)試：一種為由鈮、鉭、鈦、鉿按原子比例45%、25%、15%、15%組成的四元復(fù)雜合金；另一種為含70%鈮和30%鈦的二元合金。樣品經(jīng)熔煉、鍛造、軋制及熱處理后，在牛津郡ISIS中子與μ子源的Engin-X設(shè)備上接受測(cè)試。研究人員利用氣氦將樣品冷卻至約?253℃，并在拉伸試驗(yàn)機(jī)上測(cè)量其受力與形變數(shù)據(jù)。

測(cè)試結(jié)果顯示，四元合金在20開爾文下的起始變形應(yīng)力約為939兆帕，接近其在77開爾文時(shí)的水平；Zui大拉伸應(yīng)力達(dá)到約1150兆帕。盡管其斷裂前的延伸率較77開爾文時(shí)下降約一半，但其裂紋起始韌性仍維持在約96.5兆帕·米^0.5，且隨裂紋擴(kuò)展，斷裂韌性升至約118兆帕·米^0.5。二元合金的裂紋起始韌性約為170兆帕·米^0.5（77開爾文時(shí)為188，室溫附近為219）。

電子顯微鏡觀測(cè)揭示了該現(xiàn)象的微觀機(jī)制：合金內(nèi)部形成了納米尺度的晶體孿晶區(qū)域，并伴隨局部原子排列向ω相的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變。這兩者協(xié)同作用，在孿晶與晶界交匯處促使應(yīng)力集中轉(zhuǎn)化為新位錯(cuò)的成核點(diǎn)，從而開辟額外的變形通道，延緩了宏觀斷裂。研究指出，孿晶本身并不總是保護(hù)材料，但在該體系中成功實(shí)現(xiàn)了應(yīng)力釋放而非裂紋萌生。

研究團(tuán)隊(duì)強(qiáng)調(diào)，該結(jié)果具有明確的適用邊界。不同加載方式會(huì)導(dǎo)致不同的斷裂模式：簡(jiǎn)單拉伸試樣表現(xiàn)為微孔聚集的韌性斷裂，而預(yù)裂紋試樣則呈現(xiàn)韌性特征與類脆性特征的混合狀態(tài)。此外，僅測(cè)試至20開爾文并不能外推至更低溫度；四元合金的拉伸對(duì)比僅基于三次測(cè)試，斷裂韌性數(shù)據(jù)為兩次測(cè)試的平均值。這些機(jī)制并非材料“自修復(fù)”，而是通過保留局部變形能力來推遲失效，合金在持續(xù)載荷下Zui終仍會(huì)發(fā)生斷裂。

原子探針分析還發(fā)現(xiàn)，鈦和鉿在距晶界約三納米范圍內(nèi)富集。這種局部化學(xué)成分可能有助于促進(jìn)新位錯(cuò)生成，但也可能誘發(fā)具一定脆性的ω相，進(jìn)一步增加損傷風(fēng)險(xiǎn)。主論文作者戴維·庫克（David Cook）表示，傳統(tǒng)研究聚焦于既有位錯(cuò)在金屬中的遷移難易度，而本成果證明，界面處新位錯(cuò)的生成機(jī)制應(yīng)與后續(xù)運(yùn)動(dòng)同等重要。

牛津大學(xué)通訊作者董劉（Dong Liu）指出，該工作為極端深冷環(huán)境下的結(jié)構(gòu)金屬開發(fā)提供了新方向，潛在應(yīng)用場(chǎng)景包括能源、交通運(yùn)輸與航空航天領(lǐng)域。目前實(shí)驗(yàn)主要確立了物理機(jī)制與實(shí)驗(yàn)室性能基準(zhǔn)，尚未完成特定部件的工程認(rèn)證，仍需擴(kuò)大樣本量與更廣泛的測(cè)試以建立工程應(yīng)用所需的數(shù)據(jù)離散度。

資料來源：Yahoo News；原文發(fā)布日期：2026-10-15。本文為資料編譯。