鈦合金一向高比強(qiáng)度和優(yōu)異的抗腐蝕性著稱。近日，來自加州大學(xué)伯克利分校的科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，當(dāng)鈦合金中含氧含量稍高時(shí)，就會呈現(xiàn)脆性。這一發(fā)現(xiàn)將給鈦合金帶來更廣泛和經(jīng)濟(jì)的應(yīng)用，如在汽車、建筑、橋梁中。這項(xiàng)發(fā)現(xiàn)發(fā)表在2月6日的《Science》雜志上。

　　（圖中淺藍(lán)色線為鈦合金中運(yùn)動的缺陷或位錯。雜質(zhì)氧（紅色原子）與缺陷間的相互作用可產(chǎn)生新的位錯，圖中用深藍(lán)色線表示。圖片來源： Qian Yu）

　　（圖中淺藍(lán)色線為鈦合金中運(yùn)動的缺陷或位錯。雜質(zhì)氧（紅色原子）與缺陷間的相互作用可產(chǎn)生新的位錯，圖中用深藍(lán)色線表示。圖片來源： Qian Yu）

　　這項(xiàng)發(fā)現(xiàn)為鈦合金的實(shí)際和高效應(yīng)用打開了嶄新的局面。鈦是一種銀灰色的金屬，由于其性能的優(yōu)越性而廣泛應(yīng)用于很多領(lǐng)域，例如高端自行車、筆記本電腦和人體移植等產(chǎn)品。但是，低氧含量的鈦合金很難獲得，高額的提純成本大大阻礙了其在建筑、汽車和飛行器工業(yè)中的應(yīng)用。

　　“如果你能以和加工鋁金屬一樣的成本來加工鈦合金，同時(shí)還能保證鈦合金的性能，那么鈦合金將很快能廣泛應(yīng)用到汽車、卡車、飛行器和船舶中，”本文的作者之一，來自勞倫斯-伯克利國家實(shí)驗(yàn)室材料科學(xué)與工程系的副教授Andrew Minor說道，“鈦合金優(yōu)異的抗腐蝕性和其獨(dú)特的性能對工業(yè)應(yīng)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帶領(lǐng)一個材料科學(xué)與工程系的研究團(tuán)隊(duì)，致力于解決合金領(lǐng)域中一個長期存在的難題，即氧含量如何導(dǎo)致金屬性質(zhì)的巨大變化。

　　“氧對于鈦來說就像毒藥，”Andrew Minor說，“氧含量越高，鈦會變得越硬，越容易出現(xiàn)裂紋，而這是結(jié)構(gòu)材料最不想出現(xiàn)的性質(zhì)。”一種好的結(jié)構(gòu)材料需要有合適而平衡的塑性和強(qiáng)度，塑性是指材料受到應(yīng)力時(shí)彎曲的能力。例如，玻璃很硬但是沒有很好的塑性，因此無法用來建造汽車和橋梁。

　　盡管很多金屬都有在含氧高時(shí)變脆的特性，但是鈦對于微量元素的變化尤為敏感，Andrew Minor補(bǔ)充道。含氧0.3%的鈦的韌性只有含氧0.1%的1/3。分析氧使鈦?zhàn)兇嗟臋C(jī)制，對控制這個過程有很好的指示作用。

　　研究者們用含氧量不同的鈦合金樣品進(jìn)行納米壓縮試驗(yàn)，用先進(jìn)的透射電子顯微鏡觀察結(jié)果，并用量子力學(xué)預(yù)測其缺陷結(jié)構(gòu)。他們發(fā)現(xiàn)，氧原子與晶體缺陷間的相互作用，即位錯，是了解鈦合金材料如何變硬的關(guān)鍵所在。同時(shí)研究者們發(fā)現(xiàn)，鈦金屬中氧對于螺紋型位錯的作用就像馬路上的隆起緩沖帶。“當(dāng)位錯弓出時(shí)，機(jī)械延遲就出現(xiàn)并起作用，這些原子緩沖帶對更多的位錯造成多米諾效應(yīng)。”該項(xiàng)研究的共同作者，來自材料科學(xué)與工程系的教授Daryl Chrzan說道，他同時(shí)也負(fù)責(zé)該項(xiàng)目理論研究。研究者們發(fā)現(xiàn)，氧含量越高，鈦合金越難以彎曲，因此越來越容易開裂。

　　相似的效應(yīng)在彎曲曲別針直至其斷裂過程中可以發(fā)現(xiàn)。彎曲金屬次數(shù)越多，產(chǎn)生的位錯越多。位錯干涉了其他缺陷的運(yùn)動，使得曲別針越來越難彎曲。最終，位錯數(shù)量高到一定程度時(shí)，曲別針就無法再彎曲了，就會發(fā)生斷裂。

　　“既然我們知道了廉價(jià)鈦金屬中的氧含量導(dǎo)致了其變硬，我們可以開始致力于開發(fā)一個可以除去氧原子的工藝，這樣就不會產(chǎn)生這個問題了。”該項(xiàng)研究的共同作者M(jìn)ark Asta說。此外，由于氧等雜質(zhì)對硅基微處理器的性能有很大危害，所以半導(dǎo)體行業(yè)中也已經(jīng)開展了控氧方面的研究。