日前，由美国劳伦斯伯克利国家实验室和橡树岭国家实验室的研究人员领导，相关研究工作于 2022 年 12 月 2 日以“Exceptional fracture toughness of CrCoNi-based medium- and high-entropy alloys at 20 kelvin”为题发表在国际顶级期刊《Science》上，该发明有关具有出色的断裂韧性CrCoNi 中熵合金和高熵合金。当设计结构材料时，需要它们既要坚固又要有延展性和抗断裂性。 通常，这是这些属性之间的折衷。 但这款CrCoNi 材料兼具两者，不会在低温下变脆，而是变得更坚韧。

显微镜生成的图像显示了在 20 开尔文 (-424 F) 应力测试期间 CrCoNi 合金在纳米尺度上的断裂路径和伴随的晶体结构变形。 裂缝从左向右扩展。

© 橡树岭国家实验室

https://www.science.org/doi/10.1126/science.abp8070
© Science

 有史以来最高韧性

    科学家们在研究由铬、钴和镍（ CrCoNi） 制成的金属合金时，测出了有史以来最高的韧性。这种金属不仅具有极强的延展性。在材料科学中，这意味着高度的延展性，而且非常坚固，这意味着它可以抵抗永久变形。它的强度和延展性随着温度的降低而提高，这与现有的大多数其他材料背道而驰。

自从大约 20 年前首次开发 HEA 以来，HEA 一直是研究的热门领域，但直到最近才出现在极端测试中将材料推向极限所需的技术。根据3D科学谷《（一）3D打印技术的优缺点 l 3D打印HEA高熵合金：微观结构和性能综述》一文，高熵合金 (HEAs) 是一种很有前途的多组分合金，具有新颖的微观结构和优异的性能的独特组合。然而，通过传统方法制造 HEA 仍然存在一定的局限性。3D打印-增材制造的 HEA 具有优化的微观结构和改进的性能，近年来增材制造 (AM) 技术在生产 HEA 中的应用呈显着增长趋势。

© 3D科学谷白皮书

20开尔文（K）下的等价CrCoNi和CrMnFeCoNi合金的断裂韧性值。发现CrMnFeCoNi和CrCoNi的裂纹起始断裂韧性特别高，分别为262和459兆帕·米½（MPa·m½）；CrCoNi在2.25 mm的稳定裂纹后显示了超过540MPa·m½的裂纹增长韧性。20K时的裂纹尖端变形结构与更高温度下的变形结构截然不同。它们包括堆垛层错、细纳米孪晶和转变的ε马氏体的成核和受限生长，具有可促进位错的阻止和传输以产生强度和延展性的连贯界面。他们认为，这些合金通过变形机制、位错滑移、层错形成、纳米孪晶和相变的逐步协同作用来发展抗断裂性，这些机制协同作用延长了应变硬化，同时提高了强度和延展性，导致了优异的韧性。

 强度和韧性的完美结合

尽管它们具有极高的断裂韧性，但这些合金并没有复杂的微观结构，因为它们是简单的单相固溶体。因此，一个重要问题是这种特殊的抗断裂性的起源，以及为什么它在低温下会如此逐渐增强。

为了解决这个问题，研究人员研究了这些合金中塑性变形的协同缺陷行为，主要使用CrCoNi合金来说明20K与室温下的典型行为。使用断裂后EBSD分析和高分辨率透射电子显微镜（HRTEM）观察塑性区内的严重变形区域，直接与裂纹尖端相邻，局部应变很容易达到60-100%。虽然微观结构一开始是相当简单的单相固溶体，但在20K下的变形将结构转变为丰富而复杂的相和缺陷结构的混合物。

大约十年前，研究人员开始试验 CrCoNi 和另一种也含有锰和铁的合金，即 CrMnFeCoNi。他们制作了合金样品，然后将材料降低到液氮温度（大约 77 开尔文或负 321 华氏度），并发现了令人印象深刻的强度和韧性。研究人员继续在液氦温度范围内进行测试，值得庆幸的是，结果值得等待。

这些图像由扫描电子显微镜生成，显示了 (A) CrMnFeCoNi 和 (B) CrCoNi 合金的晶粒结构和晶格取向。(C) 和 (D) 分别显示 CrCoNi 在 293 K 和 20 K 时的断裂示例。
© 伯克利实验室

    许多固体物质，包括金属，都以结晶形式存在，其特征是重复的3D原子模式，称为晶胞，构成更大的结构，称为晶格。 材料的强度和韧性来自晶格的物理特性。 没有完美的晶体，因此材料中的晶胞不可避免地包含“缺陷”，一个突出的例子是位错：未变形晶格与变形晶格相遇的边界。 当对材料施加力时，例如，想一想弯曲金属勺子——形状的变化是通过位错在晶格中的移动来实现的。 位错越容易移动，材料越软。 但是如果位错的运动被晶格不规则形式的障碍物阻挡，那么就需要更多的力来移动位错内的原子并且材料变得更坚固。 另一方面，障碍物通常会使材料更脆，或容易开裂。

 重新思考物理特征与性能

     该研究团队的新发现，连同最近关于 HEA 的其他工作，可能会迫使材料科学界重新考虑长期以来关于物理特性如何产生性能的观念。因为冶金学家说材料的结构决定了它的特性，但 NiCoCr 的结构是能想象到的最简单的。然而，当对其进行变形时，结构会变得非常复杂，而这种转变有助于解释其对断裂的非凡抵抗力。根据加州大学伯克利分校材料科学与工程教授，由于电子显微镜中快速电子探测器的发展，业界能够看到这种意想不到的转变，这使科研人员能够辨别不同类型的晶体，并以单纳米的分辨率量化它们内部的缺陷，宽度仅为 几个原子。

这项研究得到了能源部科学办公室的支持。低温机械测试和中子衍射是在卢瑟福阿普尔顿实验室进行的。显微镜分析是在分子铸造厂的国家电子显微镜中心进行的，其他设施包括伯克利实验室的 DOE 科学办公室。

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