美发现最高韧性合金 极寒中仍具超高性能

　　随着人类探索太空和极端区域的需求增加，人们开始寻找那些能够在低温下使用的金属材料。美国的国家实验室发现一种由铬、钴和镍组成的合金，其能够在极度低温下保持极高韧性，是目前世界上韧性最高的合金。

图为CrCoNi合金在20开尔文（-424 F）压力测试期间纳米级的断裂路径和伴随的晶体结构变形。裂缝从左向右扩展。

　　美国的劳伦斯伯克利国家实验室（Berkeley Lab）和橡树岭国家实验室一同将这项实验成果写成论文，于2022年12月发表到《科学》杂志上。该项研究获得美国能源部科学办公室的支持。

　　科学家研究由“铬、钴和镍（CrCoNi）”和“铬、锰、铁、钴和镍（CrMnFeCoNi）”进行等比例制作的合金金属，并测试他们的断裂韧性值，观测到“铬锰铁钴镍”和“铬钴镍”合金在零下253.15°C时的断裂韧性值，分别为262和459兆帕-平方根米（MPa·m½）。

　　另外，经实验后发现，“铬钴镍”合金在2.25毫米的稳定裂开后，显示出超过540 MPa·m½的裂纹扩展韧性。以上这些数值代表着该合金拥有目前世界上最高的韧性。科学家还发现，这种金属在低温下的变形与高温下的变形结构，出现截然不同的结果。

　　这种合金不仅拥有极高的延展性，也拥有极高的可塑性，同时又非常坚固（几乎拥有永久耐变形能力）。此外，该合金还有一项极特殊的性质，它的强度和延展性会随着温度降低而提高，这与世界上大多材料的性质相反。

　　铬、钴和镍制成的合金，属于高熵合金（HEA）类型，这与其它一般合金不同。不同之处在于其它合金会由一种高比例的金属（例如，铁、金、银或铜等）和少量的其它元素或金属组成（例如，不锈钢、18K金等），但HEA类型的合金，是指由每种元素几乎以等比例进行混合制成。

　　这些每种等量元素混合成的合金，似乎赋予材料在受压时具有非常高的“强度”和“延展性”组合成金属的“韧性”。

　　他们发现这些合金在常温施压的情况下，并没有复杂的微观结构，但在极低温下施展压力时，微观的结构开始变得复杂。合金中的结晶会从圆型颗粒变成条状，并具有强烈的平面变形倾向，最终形成一堆纵横交错的变形带，因此推测这些改变让合金金属增强其韧性。

　　伯克利实验室材料科学部高级教职科学家兼工程学教授罗伯特·里奇（Robert Ritchie）对伯克利国家实验室新闻室表示：“原本这种合金的金属原子是滑顺且简单的晶粒，但在低温施压出现变形时，其内部开始出现大量障碍物，这让它的断裂韧性值远超过大多数材料。”

　　该实验室的电子显微镜中心主任小安德鲁（Andrew Minor）则补充说：“当金属形变后结构变得非常复杂，这种转变有助于解释为何它会出现对这种对抗断裂的特性。”

　　另外，里奇教授还表示：“这种材料在液态氦（He）的温度（-253.15°C）时，却拥有高达500 MPa·m½的断裂韧性值。”

　　里奇教授解释：“若相同单位中，一块硅（Si）的断裂韧性值是1 MPa·m½、客机使用的铝合金机身断裂韧性值是35 MPa·m½，而最好的钢材断裂韧性值是100 MPa·m½，那么该合金展现的数值是十分惊人的。”

　　不过，里奇教授表示，尽管目前发展令人兴奋，但是距离实用阶段还为之过早。“我们需要更多时间去更加了解这种材料的性质，未来才能在投入实际应用当中，避免人们使用它时，出现大家最不想看到的意外发生。”

　　新闻室在报道中提到，橡树岭国家实验室的工程学教授乔治（Easo P. George）和里奇教授在十年前就开始研究铬钴镍合金，与该金属上再加上含锰（Mn）和铁（Fe）的铬锰铁钴镍（CrMnFeCoNi）合金。

　　当时他们将材料放至液态氮温度下（-196 °C）观察该种金属的变化时发现，该种合金有着让人印象深刻的韧性和强度。为了能在这种寒冷温度下进行各种样品的测试，他们花费10年时间才找齐各式各样的人员和工具，最终才得出该实验成果。