美国科学家发现最高韧性合金 极寒中仍具超高性能

美国伯克利国家实验室发现一种由铬、钴和镍组成的合金，是具有最抗断裂特性的坚硬材料。图为CrCoNi合金在20开尔文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

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。

美国的劳伦斯伯克利国家实验室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”和“铬、锰、铁、钴和镍”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。

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540兆帕-平方根米的裂纹扩展韧性。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：“这种材料在液态氦的温度（-253.15°C）时，却拥有高达500 兆帕-平方根米的断裂韧性值。”

里奇教授解释：“若相同单位中，一块硅的断裂韧性值是1 M兆帕-平方根米、客机使用的铝合金机身断裂韧性值是35兆帕-平方根米，而最好的钢材断裂韧性值是100 兆帕-平方根米，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。”

新闻室在报导中提到，橡树岭国家实验室的工程学教授乔治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和铁的铬锰铁钴镍合金。

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。