-253°Cの極低温でも粘り強さを維持する金属合金の仕組みを解明(New Study Reveals Metal Alloys That Unexpectedly Resist Extreme Cold, Staying Tough at -253°C)

2026-10-14 オックスフォード大学

英国オックスフォード大学、米国カリフォルニア大学バークレー校、ローレンス・バークレー国立研究所などの国際研究チームは、極低温でも割れにくさを維持するニオブ・チタン系合金の微視的メカニズムを解明した。通常、鉄やタングステンなどの体心立方構造を持つ金属は、温度が下がると結晶内の転位が動きにくくなり、塑性変形によって亀裂を吸収できず、脆性破壊を起こしやすくなる。今回、研究チームは2種類の実験用合金を絶対温度20 K(約−253℃)まで冷却して引張試験を行い、極低温でも顕著な脆化が認められないことを確認した。電子顕微鏡観察や原子プローブ分析、計算機シミュレーションにより、結晶内に鏡像関係の領域が形成される双晶変形と結晶構造の局所的な相転移が連携し、新たな転位を発生させることで変形能力を維持する仕組みを明らかにした。本成果は、極低温環境で使用するエネルギー設備、航空宇宙機器、輸送機器などの高靱性材料の設計に新たな指針を与える。

-253°Cの極低温でも粘り強さを維持する金属合金の仕組みを解明(New Study Reveals Metal Alloys That Unexpectedly Resist Extreme Cold, Staying Tough at -253°C)
Electron microscopy image showing new defects forming between neighbouring crystals of the niobium-titanium-based alloys. Image credit: Cook et al. 2026

<関連情報>

競合するメカニズムが、20 K において bcc 二元合金および中エントロピー合金を強化する Competing mechanisms toughen bcc binary and medium-entropy alloys at 20 K

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 & Robert O. Ritchie
Nature  Published:14 October 2026
DOI:https://doi.org/10.1038/s41586-026-11065-7

Abstract

Plastic deformation in body-centred cubic (bcc) metals and alloys is conventionally mediated by screw dislocations. Their temperature-sensitive motion is attributed to a steep rise in strength with decreasing temperature that constricts plastic zones at crack tips, leading to a ductile-to-brittle transition1. Here we evaluated the mechanical properties of group IV–V bcc refractory alloys with similar electronic structures at 20 K and found that these materials instead exhibit a plateau in tensile yield strength and fracture toughness as a function of temperature, with no apparent ductile-to-brittle transition. This behaviour arises from the global activation of twinning and an ω-phase transformation, which nucleate dislocations at interfaces before global dislocation motion. The initial mechanism is temperature insensitive and controls yielding, thereby preventing a crack-tip plastic zone from constricting with decreasing temperature.

0703金属材料
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