浙江
国际研究团队发现，两种实验性铌钛基合金在接近绝对零度的极端低温环境下仍能保持极高抗裂能力。这一发现打破了材料科学领域长期以来对金属低温脆化现象的认知，并为未来聚变能源装置、量子计算设备、航天器以及氢能基础设施开发更可靠材料开辟了新方向。
大多数金属在温度下降时会变得更坚固，但同时也更容易发生断裂。铁、钨和铬等体心立方结构金属尤其如此。当温度降至极低水平时，原本能够通过弯曲或变形吸收的应力，往往会演变为突然断裂。
造成这一现象的重要原因是金属内部的位错活动受到限制。位错是一种存在于晶体结构中的线状缺陷，它们能够帮助金属在受到外力时发生塑性变形。然而随着温度不断降低，这些位错越来越难以移动，使材料失去释放应力的能力，从而变得更加脆弱。
由美国加州大学伯克利分校、劳伦斯伯克利国家实验室以及英国牛津大学等机构联合领导的研究团队发现，两种铌钛基实验合金却能够避开这一问题。即便在20开尔文，也就是约零下253摄氏度（零下424华氏度）的环境中，它们仍然表现出极强的抗裂性能，在实验所测试的最低温度下没有出现可测量的脆性转变现象。
为了研究这些材料在极端低温下的行为，科学家利用英国牛津郡ISIS中子与缪子源的Engin-X装置开展实验。他们使用氦气将样品冷却至约零下253摄氏度，然后在中子束照射下对样品进行双向拉伸测试，精确测量材料能够承受的载荷以及断裂前的延伸程度。
进一步的电子显微镜观察揭示了材料保持韧性的秘密。研究人员发现，在裂纹附近以及合金内部会产生一种被称为“纳米孪晶”的结构变化。在这一过程中，晶体局部区域会重新排列形成镜像对称结构，同时伴随着晶体结构的局部转变。
这些新形成的结构在接触邻近晶粒边界时，会产生局部高应力区域，并进一步诱发新的晶体缺陷产生。新的缺陷又能继续承担塑性变形任务，使材料在受到应力时仍能持续变形，而不是直接开裂。
研究人员将这一机制比作道路网络在暴雪天气中的应急响应。当原有道路被冰雪阻塞时，交通系统会开辟新的通行路线。同样，当传统位错运动在极低温环境下受到限制时，纳米孪晶的形成会创造新的变形通道，从而维持材料的韧性。
研究团队表示，这种此前未被充分认识的微观机制揭示了一种全新的抗低温脆裂思路。过去工程界一直认为体心立方金属在超低温下难以避免脆化，而这项研究表明，通过合理设计合金成分和微观结构，可以让材料主动切换变形模式，继续吸收和分散应力。
研究人员认为，这一发现未来有望推动新一代低温工程材料的发展。在聚变反应堆、液氢储运系统、深空探测器以及量子科技设备中，许多关键部件都需要在极低温度下长期工作。能够同时兼具高强度和高韧性的材料，将显著提升这些先进技术系统的可靠性与安全性。
相关研究成果已发表在国际学术期刊《Nature》上。研究团队表示，下一步将探索这种机制是否能够推广到更多金属体系，并据此设计适用于更加严苛环境的新型工程合金。
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