科研人員發現低錸合金化難以降低鎢的韌脆轉變溫度

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近日，西安交通大學材料學院教授韓衛忠團隊通過沖桿試驗，對再結晶態的W-Re合金進行了系統研究，揭示了其韌脆轉變的關鍵缺陷機制，并闡明了低含量的Re合金化并不能有效降低W的韌脆轉變溫度。相關研究成果發表在Acta Materialia上。

錸（Re）被認為是提高鎢（W）變形能力并降低其韌脆轉變溫度的最佳合金元素。在大量的實驗研究中，報道的“Re效應”通常與機械加工（高溫軋制等）引入的初始位錯、層片結構、晶粒細化等因素混淆在一起，難以澄清單一因素（Re合金化）對W變形能力的影響。因此，Re合金化能否實現低溫增韌、降低W的韌脆轉變溫度，一直缺乏系統的研究和關鍵的實驗證據。

W及W-Re合金的韌脆轉變行為。

研究人員發現，Re合金化引起的有限韌化僅發生在很窄的低溫區間（50°C~200°C）。高溫（≥300°C）變形時，W-Re合金的塑性變形能力明顯降低，最終導致合金高溫韌性下降、韌脆轉變溫度升高。而且Re含量越高，W-Re合金的韌脆轉變溫度越高（圖1所示）。通過表面變形形貌的表征發現，相比于純W的沿晶開裂，Re合金化促進了更多的位錯行為，從而增加了W-Re合金的低溫韌性，但這一改善非常有限。此外，當變形溫度升高到300°C時，W-Re合金中還出現了大量的位錯交滑移現象。隨著Re含量的增加，交滑移程度越來越劇烈。有趣的是，雖然W-Re合金在高溫下發生了大量的位錯交滑移，但其變形能力和韌性反而變差了。

Re合金化促進了位錯滑移/交滑移。

通過進一步的缺陷表征發現，隨著溫度升高，位錯增殖能力的突然增加使得純W發生了脆韌轉變。然而，合金化后，Re元素在高溫下促進了螺位錯的局部交滑移，從而產生了橫跨多個滑移面（三維結構）的超割階和位錯環。這些缺陷結構的密度和分布不僅和Re元素的含量相關，而且還表現出明顯的溫度依賴性：Re含量和變形溫度越高，缺陷的密度越高。

高密度的三維不可動缺陷（超割階和位錯環）強烈地阻礙了位錯的運動，最終導致W-Re合金高溫變形能力下降、韌脆轉變溫度升高。