地球上韧性最高的材料

在材料科学领域，科学家在设计结构材料时，会希望它们既要有强度（意味着能抵抗永久变形），又要有延性和抗断裂性（意味着高度可锻性）。通常情况下，最终得到的材料会是这些性质之间的一种折中方案。

然而，近日，科学家却似乎找到了一种“鱼和熊掌兼得”的材料。一组研究团队在研究一种由铬、钴和镍构成的金属合金CrCoNi时，测量到了有史以来材料中的最高韧性。

这种金属不仅具有极高的延性以及令人印象深刻的强度，而且随着不断冷却，其强度和延性可以不断提高。这也与现有的其他大多数材料恰好相反。团队在《科学》上发表了、这项研究，描述了他们破纪录的发现。

高熵合金

CrCoNi是被称为高熵合金（HEA）的一类金属的一个子集。如今使用的所有合金，都是以一种元素为主，同时添加少量的其他元素。但HEA则不同，它们是由每一种组成元素等量混合而成的。这类平衡的原子配方，似乎赋予了其中一些材料在受压时具有极高强度和延性的组合，它们共同构成了所谓的“韧性”。

自从HEA在大约20年前被首次开发以来，它一直是一个热门研究领域，但直到最近，才有了在极端测试中把材料推向极限所需的技术。

这种材料在接近液氦温度（约零下253 ）时的韧性可以高达500Mpa-Sqrt(m)。这是一种常用的韧性单位，作为对比，以相同的单位衡量，一块硅的韧性是1，客机的铝制机身约为35 ，而一些最好的钢的韧性大约是100。因此，500绝对是个惊人的数字。

近十年前，团队已经开始对CrCoNi和另一种还含有锰和铁的合金CrMnFeCoNi进行实验。他们制作了这些合金的样品，然后将这些材料降低到液氮温度（约零下196 ），发现了惊人的强度和韧性。

他们立即想用液氦温度范围内进行进一步测试，但直到多年的等待之后，才终于有了能够实现这类实验的技术。

窥视晶体

许多固体物质，包括金属，都以晶体形式存在，具有被称为晶胞的重复三维原子模式，这些晶胞构成了一种更大的结构，也就是晶格。材料的强度和韧性也是来自晶格的物理特性。

没有晶体是完美的，所以材料中的晶胞不可避免地会包含一些“缺陷”，一类突出的例子就是位错，也就是未变形的晶格与变形的晶格交接的边界处。当力被施加到材料上时（比如折弯一把金属勺子），形状的改变是通过位错在晶格中移动来完成的。位错越容易移动，材料就越软。

但是，如果位错的移动被晶格不规则形式中的障碍所阻挡，就需要更大的力才能移动位错中的原子，这样一来，材料的强度就变得更高了。反过来说，障碍物通常会让材料更脆，也就是容易开裂。

团队使用中子衍射、电子背散射衍射和透射电子显微镜，检查了在室温和20K下断裂的CrCoNi样品的晶格结构。（在测量强度和延性时，原始金属样本被拉至断裂，而在断裂韧性测试中，在拉伸样本之前，故意在样本中引入一处尖角裂纹，然后测量裂纹生长所需的应力。）

这些技术产生的图像和原子图谱显示，这种合金的韧性是由一组三个位错障碍造成的，当力施加在材料上，这些障碍会以特定的顺序生效。

首先，移动的位错导致晶体的一些区域从平行平面上的其他区域滑开。这种运动使晶胞的层发生位移，从而让它们的模式在垂直于滑动的方向上不再匹配，形成了一种障碍。

对金属的进一步作用力产生了一种被称为纳米孪晶的现象，其中晶格的区域形成了一种镜像对称，中间带有一个边界。

最后，如果力继续作用在金属上，注入系统的能量就会改变晶胞本身的排列，CrCoNi原子从面心立方晶体转变成了另一种被称为六方密堆积的排列。

这一连串的原子相互作用，确保了金属不断流动，但也不断遇到来自障碍物的新抗力，这些抗力远远超过了大多数材料因应变而断裂的程度。所以，当材料被拉伸时，这些机制以这种神奇的顺序发生，带来了这些真正巨大的特性。

这些扫描电子显微图像显示了（A）CrMnFeCoNi和（B）CrCoNi合金的晶粒结构和晶格方向。(C)和(D)分别显示了CrCoNi在293K和20K下的断裂实例。（图／Robert Ritchie, Berkeley Lab）

CrMnFeCoNi合金也在液氦温度下进行了测试，表现同样令人印象深刻，但并没有达到与更简单的CrCoNi合金一样的韧性。

锻造新产品

团队的新发现，加上近期有关HEA的其他研究，可能会让材料科学界重新思考物理特性如何产生性能的长期观念。

冶金学家认为，一种材料的结构决定了它的性能，但CrCoNi的结构就是人们所能想到的最简单的，它仅仅是晶粒。但当它变形时，结构却变得非常复杂，这种转变有助于解释它对断裂的特殊抗力。

现在，科学家对CrCoNi合金的内部运作有了更好的了解，它和其他HEA离特殊应用又近了一步。

尽管这些材料的制造成本很高，但在极端环境中仍有用武之地，比如深空的低温环境。团队也在研究如何制造由更丰富、更便宜的元素制成的合金，使其具有类似的特性。

参考来源：

https://newscenter.lbl.gov/2022/12/08/say-hello-to-the-toughest-material-on-earth/

封面图&首图：Robert Ritchie, Berkeley Lab