體心立方（BCC）金屬在制備或服役過程中一旦引入少量的碳、氮、氧就會造成顯著的硬化和脆化，但其微觀機理一直是個迷。近日，西安交大材料學院的研究團隊破解了體心立方金屬鈮氧脆之謎，相關(guān)成果以題為“Mechanism of hardening and damage initiation in oxygen embrittlement of body-centred-cubic niobium

”發(fā)表在金屬材料頂尖期刊《Acta Materialia》上。

論文鏈接：

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1359645419301168

BCC結(jié)構(gòu)的金屬具有高熔點、高強度、抗輻照等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于工業(yè)界。以金屬鈮（Nb）為例，它作為一種典型難熔金屬，具有熔點高、熱強性好、密度低（相較于其他難熔金屬）、加工性能好等優(yōu)點，在高溫環(huán)境下具有廣泛的應(yīng)用前景，被廣泛用作航天運載裝備的火焰噴嘴等關(guān)鍵受熱部件。然而，高溫條件下劇烈的吸氧會導致鈮發(fā)生硬化、脆化和氧化，給鈮合金的應(yīng)用帶來了巨大的挑戰(zhàn)。

塊體拉伸試樣及斷口組織形貌

多年來，各國研究者采用了多種方法來試圖闡明體心立方金屬的氧脆機理，但是進展緩慢。為了解決這一困擾，西安交通大學材料學院微納中心研究人員將宏觀力學行為研究方法同微納米尺度原位力學性能分析和原子尺度模擬有效地結(jié)合起來，系統(tǒng)地研究了溶質(zhì)原子氧對鈮力學變形行為的影響，闡明了溶質(zhì)原子氧對金屬鈮中點缺陷團聚、螺位錯運動及永久損傷形核過程的影響，揭示了溶質(zhì)原子氧造成金屬鈮硬化和脆化的微觀機制，構(gòu)建了金屬鈮氧脆的清晰物理圖像。研究人員新發(fā)現(xiàn)的氧脆微觀機理對闡明其它體心立方難熔金屬在變形和輻照中的硬化和脆化行為具有重要的參考價值。

納米力學拉伸測試及TEM下亞微觀尺度的Nb與Nb-O

螺位錯上氧導致的隨機力場可以強化交互纏結(jié)與點缺陷的形成與硬化

該工作得到了國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學基金、國家外專局111計劃等的共同資助。西安交通大學賈春林教授、米少波教授和路璐工程師在溶質(zhì)原子氧表征方面提供了有益討論。