1912年4月，泰坦尼克號(hào)與一座冰山相撞，造成船體斷成兩截，沉入大西洋海底。為什么有“永不沉沒”美譽(yù)的泰坦尼克號(hào)會(huì)因觸礁冰山而沉沒？當(dāng)時(shí)工程師為了增加鋼的強(qiáng)度，往煉鋼原料中添加了大量硫化物，雖然強(qiáng)度得以提升，但也大大降低了鋼的韌性。由于鉚釘和鋼板在低溫時(shí)像玻璃一樣脆而易折，當(dāng)泰坦尼克號(hào)撞上冰山時(shí)（水溫接近0℃），鉚釘斷裂，船殼解體，釀成了泰坦尼克號(hào)沉沒的悲劇。

不僅鋼鐵表現(xiàn)出低溫脆性，研究人員發(fā)現(xiàn)釩、鉻、鉬、鎢等金屬也有同樣的性質(zhì)：在臨界溫度（稱為“韌脆轉(zhuǎn)變溫度”）之上，材料具有較好的塑性，低于臨界溫度時(shí)，材料突然從韌性轉(zhuǎn)變?yōu)榇嘈裕瑤缀鯁适Я怂苄宰冃文芰?，這個(gè)過程稱之為“韌脆轉(zhuǎn)變”。其中，鉻、鉬、鎢等金屬的韌脆轉(zhuǎn)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(yīng)用。

為什么鐵、鉻、鎢等體心立方金屬都具有如此特殊的“韌脆轉(zhuǎn)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(gè)百年難題。一般認(rèn)為金屬的韌脆轉(zhuǎn)變與螺位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)密切相關(guān)，研究者也先后提出了位錯(cuò)形核主導(dǎo)和位錯(cuò)滑移主導(dǎo)的兩種韌脆轉(zhuǎn)變機(jī)制。然而，現(xiàn)有理論很難解釋韌脆轉(zhuǎn)變的突然性，即由韌到脆的轉(zhuǎn)變發(fā)生在很窄的溫度區(qū)間。

近日，西安交通大學(xué)材料學(xué)院韓衛(wèi)忠教授課題組系統(tǒng)研究了金屬鉻的韌脆轉(zhuǎn)變機(jī)理，發(fā)現(xiàn)螺/刃位錯(cuò)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度是控制金屬韌脆轉(zhuǎn)變的關(guān)鍵因素。金屬一般靠位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)來協(xié)調(diào)變形，根據(jù)伯氏矢量的不同，位錯(cuò)分為螺位錯(cuò)和刃位錯(cuò)。在體心立方金屬中，由于螺位錯(cuò)特殊的三維位錯(cuò)核心結(jié)構(gòu)，運(yùn)動(dòng)時(shí)晶格摩擦力很大，導(dǎo)致其滑移困難。螺位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)是一個(gè)熱激活的過程，通常溫度越低，運(yùn)動(dòng)速度越慢。研究人員發(fā)現(xiàn)，螺位錯(cuò)和刃位錯(cuò)的相對(duì)速度在調(diào)控金屬塑形變形能力中有重要的作用。這就像“兩人三足”游戲一樣，如果一個(gè)人步子很大，另一個(gè)人步子很小，那就一定會(huì)摔倒；只有兩個(gè)人的步子協(xié)調(diào)在一定范圍時(shí)，才可以快速向前跑。隨溫度的降低，螺位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)速度越來越慢，螺/刃位錯(cuò)速度比值越來越??；當(dāng)小到一定程度時(shí)，位錯(cuò)就很難通過滑移協(xié)調(diào)變形，導(dǎo)致金屬材料脆斷。然而，螺/刃相對(duì)移動(dòng)速度的比值達(dá)到多少才能完全協(xié)調(diào)變形呢？研究人員采用納米壓入的方法（如圖1），通過觀察壓痕下位錯(cuò)的分布特征，定量測(cè)量了不同溫度下螺/刃位錯(cuò)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度。研究表明，當(dāng)螺/刃位錯(cuò)的速度比值大于0.7時(shí)，金屬鉻從脆性轉(zhuǎn)變到韌性。

研究人員發(fā)現(xiàn)，脆韌轉(zhuǎn)變的過程實(shí)際上是位錯(cuò)源從一次性、不可再生的位錯(cuò)源轉(zhuǎn)變?yōu)檫B續(xù)的、可再生的位錯(cuò)源的過程，并且提出了相應(yīng)的物理模型（圖2）?；谠撐锢砟Ｐ?，可以根據(jù)位錯(cuò)的幾何形狀來估算螺/刃位錯(cuò)的相對(duì)速度。統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，鐵、鋁、鎢等金屬的脆韌轉(zhuǎn)變均需滿足螺/刃位錯(cuò)速度比值大于0.5的臨界條件。當(dāng)?shù)陀陧g脆轉(zhuǎn)變溫度時(shí)，即低于螺/刃相對(duì)速度的臨界比值時(shí)，位錯(cuò)源效率比較低，只能發(fā)射少量位錯(cuò)來協(xié)調(diào)變形，導(dǎo)致金屬材料韌性較低。當(dāng)螺/刃位錯(cuò)的相對(duì)速度高于臨界比值時(shí)，部分位錯(cuò)線從一次性位錯(cuò)源轉(zhuǎn)變?yōu)榭稍偕母ヌm克-里德位錯(cuò)源，效率大大提高，可以源源不斷產(chǎn)生位錯(cuò)協(xié)調(diào)變形，促進(jìn)交滑移，使得金屬材料具有良好的變形能力，這就導(dǎo)致了“韌脆轉(zhuǎn)變”現(xiàn)象的發(fā)生。金屬變形對(duì)位錯(cuò)源效率和交滑移能力的臨界需求造成了韌脆轉(zhuǎn)變的突然性。

西安交通大學(xué)材料學(xué)院博士生盧巖為論文第一作者，韓衛(wèi)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(xué)基金優(yōu)青、面上和西安交通大學(xué)青年拔尖人才支持計(jì)劃等項(xiàng)目的共同資助。