两种实验合金在−424°F下通过形成新的晶体缺陷抵抗开裂，为极端低温下更坚韧的金属提供了一条可能路径。

大多数金属冷却时强度提高，但部分金属也更易断裂。铁、钨和铬属于体心立方（body-centered cubic）金属，其原子排列会随温度下降而使其逐渐变脆。金属原本可通过弯曲或拉伸容纳的裂纹，可能转为断裂。

这种变形能力在很大程度上取决于位错（dislocation）的运动。位错是金属晶体结构中的线状缺陷。低温下，这些缺陷更难移动，限制了材料通过变形缓解裂纹周围累积应力的能力。

合金在−424°F下抵抗开裂

两种实验性铌钛基合金通过改变变形方式，即使在20 K（约−253°C，−424°F）下也避免了这一问题。由加州大学伯克利分校、劳伦斯伯克利国家实验室和牛津大学领导的一个国际团队发现，这些合金仍具有显著抗裂性，在测试的最低温度下未检测到向脆性行为的转变。研究结果发表于 Nature，揭示了当常规变形机制变得困难时，合金如何创造新的变形机会。

为在这些条件下测试合金，研究人员使用了牛津郡 ISIS 中子与μ子源的 Engin-X 仪器。他们用氦气将样品冷却至约−253°C，然后将样品暴露于中子束，同时由测试机从两端拉伸。测试精确测量了样品可承受的力以及断裂前的伸长量。

使合金持续变形的晶体缺陷

电子显微镜使团队能够检查裂纹周围及测试金属内部的结构变化。研究人员观察到纳米级孪晶（nanoscale twinning），即晶体中的微小区域重排为镜像取向，并伴随晶体结构的局部转变。他们还使用原子探针分析绘制各元素分布，并用计算机建模研究不同机制如何共同阻止脆性失效。

当新形成的结构到达相邻晶粒之间的边界时，会产生集中应力点，触发新的位错。这些新缺陷使材料能够继续变形并吸收裂纹周围的力。即使已有位错变得更难移动，合金仍可在这些边界处生成新位错。

研究第一作者 David Cook 博士在研究期间任职于加州大学伯克利分校，现任职于剑桥大学。他说：“我们的结果表明，应改变对这些金属脆性转变控制因素的认识。传统上，关注点是已有位错在金属中移动的难易程度，但现在看来，在界面处生成新位错的能力可能同样关键。利用这些认识，我们或许能够设计底层微观结构条件，使材料在极端温度下自行形成保持延性的路径。”

潜在应用包括能源、交通和航空航天领域暴露于极冷环境的部件。

牛津大学通讯作者、牛津大学工程科学系 Dong Liu 教授说：“几十年来，韧脆转变一直被视为体心立方金属的根本限制。令我们惊讶的是，这些合金即使在20 K下仍具有显著损伤容限。通过揭示孪晶和相变如何在常规位错运动之前共同产生塑性，我们确定了一条设计可在极端低温环境运行的结构体心立方金属的新路径。这类材料对于在单一应用中经历极端高温和低温的部件将非常有用。”

参考文献：David H. Cook, Xiaoyu Chen, Michael O’Leary, Satish Rao, Wenqing Wang, Calvin H. Belcher, Madelyn Payne, Pedro Borges, Tung Lik Lee, Arun Devaraj, Mark Asta, Enrique J. Lavernia, Diran Apelian, Andrew M. Minor, Dong Liu, Punit Kumar and Robert O. Ritchie, “Competing mechanisms toughen bcc binary and medium-entropy alloys at 20 K”, Nature, 14 October 2026, DOI: 10.1038/s41586-026-11065-7.