发现一种非凡的金属合金

对大多数结构材料来说，同时具有高强度和高韧性是非常关键却又困难的，因为这两种属性通常是不相容的。所谓强度，指的是材料的原始形状发生永久形变之前所能承受的力；所谓韧性，指的是材料抗断裂的能力。

在一项于近期发表在《科学》杂志的研究中，一组科学家发现了一种由铌（Nb）、钽（Ta）、钛（Ti）和铪（Hf）组成的金属合金，在极热和极冷的温度下都表现出了令人惊叹的强度和韧性。

这一发现让材料科学家大为震惊，因为在此之前，这是几乎不可能实现的性能组合。在高分辨率显微镜的帮助下，他们理清了这种奇特的性质是如何从原子结构的相互作用中产生的。

神奇的合金

这种新合金源自于一类新的金属，称为难熔高熵合金（RHEA）或难熔中熵合金（RMEA）。在商业或工业应用中所使用的大多数金属，都是由一种主要金属与少量其他元素混合而成的合金。而RHEA和RMEA则不同，它们是由几乎等量的金属元素，在非常高的熔融温度下混合而成的，这赋予了它们许多独特的性质，在高温环境下具有很强的应用潜力。

在过去的研究中，科学家就已经知道RHEA和RMEA非常坚固，但大多都有着极低的断裂韧性。大多数RMEA的断裂韧性都低于10MPa·m1/2，可以说它们是有记录以来最脆的一类金属。与之相比，这种新的铌、钽、钛、铪RMEA合金（Nb₄₅Ta₂₅Ti₁₅Hf₁₅）在室温下的韧性，是典型RMEA合金的25倍以上。

这样的韧性虽然令人惊讶，但大多数现实应用中的发动机并不是在室温下运作的。因此，在新的研究中，研究人员分别在-196°C（液氮温度）、25°C（室温），800°C、 950°C、1200°C，这五种温度下，测试了这种合金的强度和韧性。

他们发现，这种合金在寒冷条件下的强度最高，但随着温度的升高，强度会慢慢变弱，只不过从广泛的范围来看，它的强度仍然是足够高的。与此同时，他们还根据材料中的已有裂纹扩展所需的力，计算得出这种材料的断裂韧性在所有温度下都很高。

揭示原子的排列

几乎所有的金属合金都具有晶体结构，这意味着材料内部的原子以重复的单位排列。然而，没有一个晶体是完美的，它们都有缺陷。最显著的一种能移动的缺陷，被称为位错。

当力施加到金属上时，就会因为顺应形状的变化而引起许多位错的移动。在较低的温度下，位错的移动会更加困难，这也是为什么许多材料在低温下会变得更易断裂，因为它们的位错不能移动。具有高熔融温度的元素及其合金将这种特性发挥到了极致，许多元素甚至在800°C时仍然非常“脆”。

而这种新的RMEA却逆势而行，即使在-196°C的低温下也表现出了极高的韧性。为了了解为什么这种合金具有如此不同寻常的韧性，研究人员借助四维扫描透射电子显微镜（4D-STEM）和扫描透射电子显微镜（STEM），对一些受力样品，以及一些未弯曲、未断裂的对照样品进行了分析。

分析结果表明，这种不同寻常的韧性来自于一种罕见缺陷所造成的意想不到的副作用，这种缺陷被称为扭折带。

图像显示了合金在室温25℃下（左）和-196℃下（右）经历裂纹扩展测试时，在裂纹尖端附近形成的扭折带。（图/Berkeley Lab）

在晶体中，当施加的力使晶体的“条带”崩塌并突然弯曲时，扭折带便会形成。晶体在这些条带中弯曲的方向会增加位错所感受到的力，使它们更容易移动。在整体水平上，这种现象会导致材料软化，这意味着用更小的力就能让材料发生形变。

从过去的研究中，研究人员得知，扭折带在RMEA中很容易形成。但过去人们认为，软化效应会使得材料的韧性更低，因为它会使裂纹更易通过晶格传播。然而，事实表明，情况并非如此。

新研究首次证明，在原子之间存在清晰裂纹的情况下，扭折带实际上通过分散损伤来阻止裂纹扩展，从而防止了断裂，进而造成了极高的断裂韧性。

应用潜能

这项研究表明，这种合金具有制造未来发动机的潜力。在现实应用中，将热能转化为电能或推力的效率取决于燃料燃烧的温度，温度越高效率越好。然而，工作温度受制于结构材料所能承受的温度。

目前，科学家已经耗尽了进一步优化在高温下可使用的材料的能力。因此，这种在各种条件下都具有抗弯曲和抗断裂的能力的合金，为制造下一代具有更高效率的发动机提供了新的可能材料。

研究人员表示，他们还需要对Nb₄₅Ta₂₅Ti₁₅Hf₁₅合金进行更多的基础研究和工程测试。因为在将其真正用于现实应用之前，机械工程师需要深入了解这种材料的性能。

#创作团队：

编译：小雨

排版：雯雯

#参考来源：

https://newscenter.lbl.gov/2024/04/22/this-alloy-is-kinky/

#图片来源：

封面图&首图：Berkeley Lab