揭秘使钛合金变脆的杀手

　钛合金一向高比强度和优异的抗腐蚀性著称。近日，来自加州大学伯克利分校的科学家们发现，当钛合金中含氧含量稍高时，就会呈现脆性。这一发现将给钛合金带来更广泛和经济的应用，如在汽车、建筑、桥梁中。

　　这项发现为钛合金的实际和高效应用打开了崭新的局面。钛是一种银灰色的金属，由于其性能的优越性而广泛应用于很多领域，例如高端自行车、笔记本电脑和人体移植等产品。但是，低氧含量的钛合金很难获得，高额的提纯成本大大阻碍了其在建筑、汽车和飞行器工业中的应用。

　　“如果你能以和加工铝金属一样的成本来加工钛合金，同时还能保证钛合金的性能，那么钛合金将很快能广泛应用到汽车、卡车、飞行器和船舶中，”来自劳伦斯-伯克利国家实验室材料科学与工程系的副教授Andrew Minor说道，“钛合金优异的抗腐蚀性和其独特的性能对工业应用非常有吸引力，因此降低其加工成本是必然要做的事情。”

　　Andrew Minor带领一个材料科学与工程系的研究团队，致力于解决合金领域中一个长期存在的难题，即氧含量如何导致金属性质的巨大变化。

　　“氧对于钛来说就像毒药，”Andrew Minor说，“氧含量越高，钛会变得越硬，越容易出现裂纹，而这是结构材料最不想出现的性质。”一种好的结构材料需要有合适而平衡的塑性和强度，塑性是指材料受到应力时弯曲的能力。例如，玻璃很硬但是没有很好的塑性，因此无法用来建造汽车和桥梁。

　　尽管很多金属都有在含氧高时变脆的特性，但是钛对于微量元素的变化尤为敏感，Andrew Minor补充道。含氧0.3%的钛的韧性只有含氧0.1%的1/3。分析氧使钛变脆的机制，对控制这个过程有很好的指示作用。

　　研究者们用含氧量不同的钛合金样品进行纳米压缩试验，用先进的透射电子显微镜观察结果，并用量子力学预测其缺陷结构。他们发现，氧原子与晶体缺陷间的相互作用，即位错，是了解钛合金材料如何变硬的关键所在。同时研究者们发现，钛金属中氧对于螺纹型位错的作用就像马路上的隆起缓冲带。“当位错弓出时，机械延迟就出现并起作用，这些原子缓冲带对更多的位错造成多米诺效应。”该项研究的共同作者，来自材料科学与工程系的教授Daryl Chrzan说道，他同时也负责该项目理论研究。研究者们发现，氧含量越高，钛合金越难以弯曲，因此越来越容易开裂。

　　相似的效应在弯曲曲别针直至其断裂过程中可以发现。弯曲金属次数越多，产生的位错越多。位错干涉了其他缺陷的运动，使得曲别针越来越难弯曲。最终，位错数量高到一定程度时，曲别针就无法再弯曲了，就会发生断裂。

　　“既然我们知道了廉价钛金属中的氧含量导致了其变硬，我们可以开始致力于开发一个可以除去氧原子的工艺，这样就不会产生这个问题了。”该项研究的共同作者Mark Asta说。此外，由于氧等杂质对硅基微处理器的性能有很大危害，所以半导体行业中也已经开展了控氧方面的研究。

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