晶粒越细，钨就越“韧”？重新审视韧脆转变与晶粒尺寸之间的关系

钨（W）凭借超高熔点、优异的高温强度、良好的抗辐照性能等优点，被认为是极端环境服役中重要的结构材料。然而，韧脆转变（Ductile-to-Brittle Transition, DBT）一直是制约钨工程应用的关键问题：当温度降低至某一临界值以下，钨会由延性断裂突然转变为脆性断裂，这一临界温度被称为韧脆转变温度（Ductile-to-Brittle Transition Temperature, DBTT）。

半个多世纪以来，研究者们发现钨中通常存在“晶粒尺寸越细，DBTT越低”的实验规律，并将其与经典Hall–Petch关系相类比，建立了DBTT与晶粒尺寸之间的线性经验关系。这一关系被广泛用于钨的性能预测和理论分析。然而，一个关键问题始终值得追问：描述屈服强度的经典Hall-Petch关系，真的能够直接迁移到DBTT吗？DBTT与晶粒尺寸之间难道只是存在简单的线性关系吗？

近日，香港城市大学/西安交通大学韩卫忠教授团队从位错动力学出发，重新审视了钨中DBTT与晶粒尺寸之间的关系，并建立了一种基于位错源效率的理论模型。研究表明，决定钨“由脆变韧”的关键，在于位错源能否高效增殖出足够数量的可动位错（PNAS, 118 (37), 2021, e2110596118; JMST, 141, 2023, 193-198; JMST, 229, 2025, 173-176等）。对文献中的大量实验数据进行分析后发现，DBTT与晶粒尺寸之间并非简单的线性关系，而是呈现出明显的非线性特征；这一规律可以由新的理论模型从位错动力学角度得到解释。这一进展为理解钨的韧脆转变行为提供了新的理论框架。

01低温下，钨为什么会变脆？关键在于位错源“失灵”

金属发生塑性变形，本质上依赖于位错的运动和增殖。对于体心立方（Body-Centered Cubic, BCC）钨而言，低温下螺型位错的运动受到热激活过程的限制，其运动速度远低于刃型位错。

这意味着，在低温条件下，当一个位错源受到外加应力开始弓出时，刃型位错可以较快地向外运动，而螺型位错却难以跟上。就好比“两人三足”中一人跑得快、另一人却迈不开步子，整个位错线便难以协调扩张和完成循环，位错源的增殖效率也因此受到抑制（PNAS, 118 (37), 2021, e2110596118; JMST, 229, 2025, 173-176）。

随着温度升高，螺型位错的运动能力逐渐增强，与刃型位错之间的速度差异不断减小，位错线开始能够更加协调地运动并持续完成位错源循环。已有研究表明，当位错源效率达到约0.5时，位错增殖开始进入高效状态，这一临界条件与钨的韧脆转变温度密切相关（JMST, 141, 2023, 193-198）。因此，从位错动力学的角度来看，钨的韧脆转变并不仅仅是温度升高带来的“变韧”，更重要的是温度改变了位错源的工作效率，使材料能够产生足够数量的可动位错来承担塑性变形。

02晶粒越细就越好？关键不只是晶粒尺寸

既然位错源决定着材料能否发生塑性变形，那么晶界就是其中一个重要的位错来源。传统的DBTT经验关系通常采用一个平均晶粒尺寸来描述晶粒尺寸效应。然而，实际工程中的钨经过轧制、锻造等热机械加工后，晶粒往往并非规则的等轴形状，而是呈现出明显的拉长、扁平化特征。这就产生了一个容易被忽略的问题：两个平均晶粒尺寸相近的材料，并不一定拥有相同数量的晶界位错源。

因此，研究团队引入了一个新的三维几何描述参数——晶界面积与晶粒体积之比，用来表征单位体积材料中所拥有的晶界面积。简单来说：人们真正应该关注的，不只是“晶粒尺寸有多小”，而是“材料内部究竟有多少晶界位错源”。在与剪切应力下单位晶界面积能够释放的移动位错特征长度参数相结合后，建立了晶界发射可动位错数量与晶粒三维形貌之间的重要联系。

03从经验关系到物理机制：建立新的DBTT模型

基于上述认识，研究团队将预存可动位错、Frank-Read源和晶界位错源统一纳入模型，同时考虑了温度对位错源增殖效率的影响，由此建立了一个能够将温度、晶粒尺寸、晶粒形貌、加工历史统一联系起来的DBT理论模型（JMST, 141, 2023, 193-198）。其核心思想可以概括为：总可动位错密度=预存位错+位错源效率（Frank-Read源产生的位错+晶界发射的位错）。当总可动位错密度达到维持韧性状态所需的临界值时，材料便跨越DBTT进入韧性状态。

为了验证模型，研究团队对5种具有不同晶粒尺寸和加工历史的商业钨进行了小冲杆测试，并进一步汇总本研究与文献中的29组实验数据进行比较。结果显示，29组数据中的DBTT覆盖约208-948 K，总体随晶粒细化而降低。更重要的是，传统线性经验关系存在明显的数据离散，而基于位错动力学的新模型能够更加准确地描述DBTT随微观结构变化的规律，尤其是对于450 的细晶钨材，模型预测与实验结果的偏差甚至可以控制在15 K以内。

04不只是“晶粒细化”，更是“位错源工程”

这项研究最重要的启示，并不是简单地告诉我们“晶粒越细越好”，而是进一步揭示了晶粒细化降低DBTT背后的真正物理机制。晶粒尺寸与形貌的变化，会改变单位体积材料中的晶界面积，从而影响晶界能够提供的位错源数量；与此同时，温度决定了这些位错源能否高效运行和增殖，材料此前的塑性加工则会通过保留预存可动位错进一步影响其低温塑性变形能力。

因此，DBTT并非单纯的晶粒尺寸效应，而是晶粒尺寸、晶粒形貌、加工历史与位错增殖行为共同作用的结果。未来钨的抗脆化设计，可以不再局限于简单追求晶粒细化，而是进一步通过调控晶粒尺寸、晶粒形貌和加工历史，实现“位错源工程”。换句话说，过去我们关注的是“晶粒有多小”，而这项研究进一步告诉我们，更值得关注的是“这些晶粒能够提供多少有效的位错源”。

05总结

• 重新认识经典规律：揭示钨的DBTT与晶粒尺寸之间并非简单的线性关系，突破传统Hall-Petch型经验描述。

• 建立物理机制模型：从位错源效率出发，将位错动力学与晶粒尺寸、晶粒形貌及加工历史联系起来，实现DBTT的定量预测。

• 拓展晶粒设计思路：降低DBTT的关键不仅在于细化晶粒，更在于增加有效晶界位错源、调控预存可动位错，实现面向韧脆转变的“位错源工程”

• 难熔金属的普适性：所提出的机制框架并不局限于钨的应用，也为理解和设计钼、铌、铁和高熵合金等其他BCC难熔金属的DBT行为提供了新的思路。

参考信息：Du X J, Zhang Y H, Han W Z*. A dislocation source efficiency-based model for grain-size-dependent ductile-to-brittle transition in tungsten. Journal of Materials Science & Technology, 271, 2026, 14-21.

本文来自“材料科学与工程”公众号，感谢论文团队支持。

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