科学家研究发现：地球上最坚韧的金属材料，超过钢的5倍

显微镜生成的图像显示了在 20 开尔文 （-424 °F） 下进行应力测试期间纳米级 CrCoNi 合金的断裂路径和伴随的晶体结构变形。骨折从左向右传播。来源：罗伯特·里奇/伯克利实验室

一项新的研究揭示了简单金属合金的深厚特性

科学家们在研究由铬、钴和镍（CrCoNi）制成的金属合金时，测量了任何材料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，这意味着它具有高度延展性）和令人印象深刻的强度（意味着它可以抵抗永久变形），而且随着温度的升高，其强度和延展性也会提高。这与现存的大多数其他材料背道而驰。

“在相同的单位中，一块硅的韧性是1，客机的铝机身约为35，一些最好的钢的韧性约为100。所以，500这是一个惊人的数字。

该团队由劳伦斯伯克利国家实验室（伯克利实验室）和橡树岭国家实验室的研究人员领导，于 2022 年 12 月 1 日在《科学》杂志上发表了一项研究，描述了他们破纪录的发现。

“当你设计结构材料时，你希望它们既坚固又有延展性和抗断裂性，”项目联合负责人Easo George说，他是ORNL和田纳西大学先进合金理论与发展的州长主席。“通常，这是这些属性之间的折衷。但这种材料两者兼而有之，在低温下不会变脆，而是变得更坚韧。

CrCoNi是一类称为高熵合金（HEA）的金属的子集。目前使用的所有合金都含有高比例的一种元素，添加的附加元素较少，但高熵合金由每种组成元素的相等混合物制成。这些平衡的原子配方似乎赋予其中一些材料在受力时具有非常高的强度和延展性组合，它们共同构成了所谓的“韧性”。自大约20年前首次开发以来，高熵合金一直是一个热门的研究领域，但是直到最近才有在极端测试中将材料推向极限所需的技术。

“这种材料在液氦温度（20开尔文，-424华氏度）附近的韧性高达500兆帕斯卡平方根米。在相同的单位中，一块硅的韧性为一，客机的铝机身约为35，一些最好的钢的韧性约为100。所以，500这是一个惊人的数字，“研究联合负责人Robert Ritchie说，他是伯克利实验室材料科学部门的高级科学家，也是加州大学伯克利分校的工程学教授。

大约十年前，里奇和乔治开始试验CrCoNi和另一种也含有锰和铁的合金（CrMnFeCoNi）。他们创造了合金样品，然后将材料降低到液氮温度（约77开尔文或-321°F），并发现了令人印象深刻的强度和韧性。他们立即想在液氦温度范围内进行测试，但找到能够在如此寒冷的环境中对样品进行压力测试的设施，并招募具有分析所需分析工具和经验的团队成员在原子水平上分析材料中发生的事情需要接下来的10年。值得庆幸的是，结果值得等待。

凝视水晶

许多固体物质，包括金属，以晶体形式存在，其特征是重复的3D原子图案，称为晶胞，构成称为晶格的较大结构。材料的强度和韧性，或缺乏强度和韧性，来自晶格的物理性质。没有晶体是完美的，因此材料中的晶胞将不可避免地包含“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，弯曲金属勺子 - 形状变化是通过格子中的位错运动完成的。位错越容易移动，材料就越软。但是，如果位错的运动被晶格不规则形式的障碍物阻挡，那么需要更多的力来移动位错内的原子，并且材料变得更强。另一方面，障碍物通常会使材料更脆——容易开裂。

“由于电子显微镜中快速电子探测器的发展，我们能够可视化这种意想不到的转变，这使我们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 - 只有几个原子的宽度 - 事实证明，这大约是变形的NiCoCr结构中缺陷的大小。

使用中子衍射，电子背散射衍射和透射电子显微镜，Ritchie，George和他们在伯克利实验室，布里斯托大学，卢瑟福阿普尔顿实验室和新南威尔士大学的同事检查了在室温和20 K下断裂的CrCoNi样品的晶格结构。 （为了测量强度和延展性，将原始金属试样拉动直到断裂， 而对于断裂韧性测试，在拉动样品之前故意将尖锐的裂纹引入样品中，然后测量扩展裂纹所需的应力。

从这些技术生成的图像和原子图显示，合金的韧性是由于三个位错障碍物，当对材料施加力时，这些障碍物以特定的顺序生效。首先，移动位错会导致晶体区域从平行平面上的其他区域滑开。这种运动会取代晶胞层，使它们的图案不再在垂直于滑动运动的方向上匹配，从而产生一种障碍物。对金属的进一步作用会产生一种称为纳米孪晶的现象，其中晶格区域形成镜像对称性，中间有边界。最后，如果力继续作用在金属上，则投入系统的能量会改变晶胞本身的排列，CrCoNi原子从面心立方晶体切换到另一种称为六边形紧密堆积的排列。

这种原子相互作用的序列确保了金属保持流动，但也不断遇到来自障碍物的新阻力，远远超过大多数材料从应变中折断的点。“所以当你拉动它时，第一个机制启动，然后第二个启动，然后第三个启动，然后第四个，”里奇解释道。“现在，很多人会说，嗯，我们已经在常规材料中看到纳米孪生，我们已经看到常规材料中的滑移。这是真的。这并不是什么新鲜事，但事实上它们都以这个神奇的顺序出现，给了我们这些真正巨大的属性。

该团队的新发现，加上最近关于高熵合金的其他工作，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概念。“这很有趣，因为冶金学家说材料的结构定义了它的特性，但NiCoCr的结构是你能想象到的最简单的 - 它只是颗粒，”里奇说。“然而，当你使它变形时，结构变得非常复杂，这种转变有助于解释其卓越的抗断裂性，”共同作者Andrew Minor补充道，他是伯克利实验室分子铸造厂国家电子显微镜中心主任，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，我们能够可视化这种意想不到的转变，这使我们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 - 只有几个原子的宽度 - 事实证明，这大约是变形NiCoCr结构中缺陷的大小。

CrMnFeCoNi合金也在20开尔文下进行了测试，表现令人印象深刻，但没有达到与更简单的CrCoNi合金相同的韧性。

锻造新产品

现在，CrCoNi合金的内部工作原理得到了更好的理解，它和其他高熵合金离特殊应用更近了一步。虽然这些材料的制造成本很高，但乔治预见到在极端环境可能会破坏标准金属合金的情况下使用，例如在深空的寒冷温度下。他和他在橡树岭的团队也在研究如何由更丰富和更便宜的元素制成的合金 - 由于电池行业的需求，钴和镍在全球范围内短缺 - 可以诱导具有类似的性能。

尽管进展令人兴奋，但里奇警告说，现实世界的使用可能还有很长的路要走，这是有充分理由的。“当你在飞机上飞行时，你想知道让你免于坠落40，000英尺的是几个月前才开发的机身合金吗？或者您希望材料成熟且易于理解？这就是为什么结构材料可能需要很多年甚至几十年才能真正投入使用。