示意图中的淡蓝线代表钛中移动的缺陷或位错。位错和氧原子（红色原子）的相互作用会产生新的位错，如深蓝线。

（来源：Qian Yu）

钛以其高强度重量比和天然的耐腐蚀性著称。现在，来自加州大学伯克利分校的科学家们发现了少量氧原子即能使钛变脆的机制。该发现发表在2月6号发行的《科学》杂志上。

如今这种银灰色金属已经广泛应用于高端自行车、笔记本电脑和人体植入物中。但是低含氧量的高品位钛很难得到，而金属提纯的代价太过高昂，因此阻止了其广泛应用于建筑、汽车和航空航天工业等。

“如果你可以将生产钛的成本控制在与铝相当，而其优越性能又能保持，你就可以将其应用于汽车、卡车、飞机、船舶，” 劳伦斯伯克利国家实验室材料科学和工程副教授Andrew Minor说。“钛具有强耐腐蚀性和优良的特殊性能，将其成本控制在与铝相当，则钛将会被广泛应用。”

Minor领导的一个材料科学与工程系研究小组致力于解决冶金领域长期存在的一个谜团－氧气如何导致金属特性如此深刻的变化。

“对钛来讲，氧气就像是毒药，” Minor说。“氧气越多，材料变得更硬和更易碎，使得其不适合用作结构材料。”

好的结构材料具有优越的延展性（施加压力时弯曲的能力）和强度。Minor提到玻璃很坚硬，但是延展性不好，这就是为什么这种材料不能用于汽车和桥梁。

Minor补充介绍说许多金属遇到氧气都会变脆，钛尤其敏感。3级钛白粉只有0.3％的氧，但是硬度只有1级钛白粉（0.1%的氧）的三分之一。理解氧气如何使钛硬化的机理有助于控制制备流程。

研究人员选取不同级别的钛样品进行纳米压缩实验，采用透射电子显微技术和缺陷结构的量子力学预测技术分析实验结果。它们发现氧气和晶体缺陷之间的相互作用对材料硬化有重要影响。

研究人员发现在钛中氧原子就像螺旋形位错中的凸起。“就像多米诺骨牌一样，这些凸起会引起更多的凸起。” 材料科学与工程的教授Daryl Chrzan介绍道。Daryl Chrzan主要负责该项目的理论研究。研究人员进一步发现随着氧气的增多，钛会越来越难以弯曲，因而更容易开裂。

同样的效果也存在于弯曲回形针的现象中。金属弯曲越严重，位错的数量就越多。位错干扰其他缺陷的运动，使得回形针更加难以弯曲。最终，位错的数量太多，以致回形针不能再弯曲，其发生断裂。

“现在我们知道钛中氧气是如何使材料变硬的，我们可以找出一种方法将氧原子移动到不影响性能的地方，” 材料科学与工程的Mark Asta说。

Minor提到由于氧气和其他杂质同样会影响硅基微处理器的性能，因此这个问题在半导体工业中已经解决了。

该研究的其他合作者包括来自伯克利实验室、日本核科学与工程局和劳斯莱斯集团的研究人员。

该研究来自于海军研究办公室的资助。该实验是在伯克利实验室国家电子显微镜中心完成的。

 

新材料在线编译整理—— 翻译：杨超