“越轧越韧”——冷轧钨的塑性密码被破解

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“越轧越韧”——冷轧钨的塑性密码被破解（DOI: 10.1016/j.actamat.2018.10.002）

钨，熔点高达3422℃，是已知最耐热的金属，却也是“室温脆得像玻璃”的典型代表。数十年来，材料学家一直困惑：为何大多数金属退火后变软变韧，而钨一旦退火却反而脆断？美国犹他大学与美国陆军研究实验室联合团队通过系统研究冷轧纯钨在不同温度退火后的组织与力学性能，首次揭示“高比例小角度晶界+高密度刃型位错”是冷轧钨保持塑性的关键，而1300℃以上的再结晶会迅速摧毁这一特殊结构，导致脆性断裂。相关成果发表于《Acta Materialia》，为钨及BCC金属的低温增韧提供了可落地的“组织设计图”。

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一、反常现象：冷加工让钨“变软”
传统观念中，冷加工引入大量位错，金属应“加工硬化”。但钨却“反其道而行”——室温轧制后的板材可弯曲应变达18%，一旦在1350℃以上退火，应变骤降至0.3%，几乎完全失去塑性。研究团队采用>99.97%纯度的商用钨板，经300–1400℃系列退火后，在200℃进行三点弯曲测试，发现：

• 退火≤1300℃：塑性维持>10%，硬度缓慢下降；
• 退火≥1350℃：瞬间脆断，硬度骤降，再结晶完成。
  

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二、微观“功臣”：小角度晶界+刃型位错
借助EBSD与TEM，作者量化了晶界取向差和位错密度：

• 小角度晶界（<15°）
  
  • 晶格失配小，可高效传递位错，减少塞积；
  • 裂纹偏折能力弱，使裂纹路径弯曲，消耗更多断裂能。
    
• 刃型位错
  
  • 佩尔斯势垒低，200℃即可高速滑移；
  • 高密度刃位错（~10¹⁴ m⁻²）充当“自源”，不断产生新位错，钝化裂纹尖端。
    
  
  

Orowan模型计算表明：在同等应力下，刃位错滑移速度比螺位错高7个数量级，足以在低温提供巨大塑性应变率。

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三、再结晶：大角度晶界+螺位错
当退火温度跨越1300–1350℃，再结晶启动：

• 小角度晶界被大角度晶界取代，位错转移效率骤降；
• 刃位错被晶界扫掠消失，残留低密、低迁移率的螺位错；
• 晶粒等轴化，裂纹沿直线扩展，无偏折增韧效应。
  

结果：材料失去位错源，断裂韧性暴跌，DBTT（韧脆转变温度）从<200℃跃升至>400℃。

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四、工程启示：让钨“一直轧下去”
研究提出“组织-性能”设计准则：

• 服役温度≤1300℃：保持冷轧态或仅做回复处理，保留>70%小角度晶界与>10¹⁴ m⁻²刃位错；
• 需高温退火：引入微合金元素（Re、TiC）钉扎晶界，抑制再结晶，或采用温轧+快速热处理，形成“部分再结晶”双峰组织；
• 表面精整：轧制表面更光滑，可减少应力集中，使弯曲应变再提高2–3%。
  

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五、结语
钨的“越轧越韧”不再是经验之谈，而是“小角度晶界+刃型位错”双因子耦合的必然结果。该工作为BCC难熔金属提供了一套可量化、可预测的组织设计思路——把晶界角度压到15°以下，把刃位错锁到10¹⁴ m⁻²以上，就能让“最脆金属”在室温也能弯出优美弧线。随着聚变堆、深空探测等极端环境对钨基部件需求激增，这一“塑性密码”将成为制备高可靠性钨材的核心指南。