鋼和難熔金屬在內(nèi)的體心立方金屬，在臨界溫度下會發(fā)生突然的韌-脆轉(zhuǎn)變(DBT)，從而影響其性能和應(yīng)用。依賴溫度的位錯遷移率和位錯形核，被認(rèn)為是導(dǎo)致DBT的潛在因素。然而，這種由韌變脆的突然轉(zhuǎn)變的起源，仍然是一個謎。

在此，來自西安交通大學(xué)的韓衛(wèi)忠等研究者，發(fā)現(xiàn)螺位錯速度與刃位錯速度的比值是影響韌-脆轉(zhuǎn)變的控制因素。相關(guān)論文以題為“Relative mobility of screw versus edge dislocations controls the ductile-to-brittle transition in metals”發(fā)表在PNAS上。

韌性-脆性轉(zhuǎn)變(DBT)，是體心立方(BCC)金屬中普遍存在的特征。在臨界溫度以下，即韌脆轉(zhuǎn)變溫度(DBTT)， BCC金屬的塑性表現(xiàn)為從韌性變形到解理脆性斷裂的突變，從而限制了這些金屬的使用溫度窗口。因此，深入了解BCC金屬中DBT的控制機(jī)理，對其更廣泛的應(yīng)用至關(guān)重要。

材料的脆性/韌性(即抗裂紋擴(kuò)展)，取決于裂紋尖端附近的位錯活動。裂紋尖端塑性是減緩或阻止裂紋前進(jìn)的過程，包括兩個不同的過程：位錯在裂紋尖端或附近的形核和它們從裂紋滑動。因此，BCC金屬的DBT性能，可以追溯到a/2< 111 >螺位錯的形核和滑動。在BCC金屬中，這些螺旋位錯在環(huán)境條件下具有解離的三維核心結(jié)構(gòu)和三重對稱。對于位錯成核，位錯源在低溫下很難工作。對于位錯滑移，必須克服固有的阻力，即佩爾斯應(yīng)力。因此，究竟是螺位錯成核還是滑移控制著DBT仍存在爭議。DBTT在很大程度上取決于加載速率、微觀結(jié)構(gòu)和雜質(zhì)。斷裂韌性的溫度依賴性和應(yīng)變速率依賴性表明，DBT的活化能與螺位錯雙扭結(jié)形成的活化能接近；這提示DBT是由螺位錯遷移率控制的。然而，迄今還沒有令人信服的解釋，為什么平滑/逐漸的溫度依賴的扭曲對的形成總是引起突然的DBT？位錯性質(zhì)和DBT之間令人信服的定量聯(lián)系，仍然是個未知數(shù)。

在此，研究者使用高溫納米壓痕測量鉻(Cr)中的DBT，并量化了螺位錯與刃位錯的相對遷移率。在此，研究者建立了一個物理模型，將Frank-Read位錯源的效率與螺位錯與刃位錯的相對遷移率聯(lián)系起來。研究表明，足夠高的相對遷移率是螺和刃段協(xié)調(diào)運(yùn)動以維持位錯增殖的先決條件。納米壓痕實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，鉻中DBT的臨界遷移率為0.7，高于0.7時位錯源由一次性位錯轉(zhuǎn)變?yōu)榭稍偕诲e源。與此同時，鐵、鎢、鋁的實(shí)驗(yàn)結(jié)果也支持該模型。

圖1 Cr的納米壓痕行為。

圖2 [455]晶粒壓痕下的位錯結(jié)構(gòu)。

圖3 位錯的特征和活動性。

圖4 錯位、相對遷移率和效率的Frank Read源。

綜上所述，納米壓痕硬度作為測試溫度的函數(shù)，可以用來測量金屬中的DBT和DBTT。足夠的可塑性以避免脆性，意味著需要大量的位錯產(chǎn)生/活動。后者則需要有效的Frank Read源和容易的交叉滑移，而交叉滑移又依賴于足夠高的螺-刃速度比來有效操作。