最好的钢材叫什么钢(Science：地表最“韧”材料，温度越低它越韧)

Posted 2023-05-29

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最好的钢材叫什么钢(Science：地表最“韧”材料，温度越低它越韧)

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强度，代表材料对不可恢复变形的抵抗力，而韧性，是材料对断裂的抵抗能力。几乎所有工程材料的要求都是既强又韧，然而强度和韧性就像是一对欢喜冤家，总是此消彼长，难以兼容调和。

强度-韧性关系的阿什比图（Ashby plot）以及增韧机制。图片来源：Nat. Mater. [1]

高熵合金（high-entropy alloy, HEA）作为一类新型金属材料，在冶金界引起了越来越多的关注。传统合金材料一般只含有一种元素作为主要成分，比如钢中的铁元素，而其他元素较少；高熵合金中每种组成元素含量相当，材料性能也与多种元素的存在相关。早在2014年，美国劳伦斯伯克利国家实验室（LBL）的Robert O. Ritchie团队就制备出单相面心立方结构的五元高熵合金 CrMnFeCoNi [2]。该材料表现出优异的抗损伤能力，抗拉强度超过 1 GPa，断裂韧性超过 200 MPa•m1/2，而且更有意思的是，这种高熵合金的强度和韧性在低温下（液氮温度，约77 K）甚至表现的更好。

CrMnFeCoNi高熵合金的结构和力学性能。图片来源：Science [2]

在这种五元高熵合金的基础之上，近日Robert O. Ritchie团队又在Science 杂志发表论文，报道了一种由铬、钴和镍（CrCoNi）组成的三元高熵合金，这种金属材料不仅具有极高的延展性和强度，其低温（20 K）断裂韧性更打破了迄今为止的记录。机理研究表明，三元高熵合金的低温断裂韧性要归因于相变与其他微观结构的协同作用，防止裂纹的形成和扩展。

三种合金元素混合的可能性。图片来源：Nat. Rev. Mater. [3]

研究者首先比较了相同制备方法下，CrCoNi和之前报道的CrMnFeCoNi两种合金的力学性能。在经过电弧熔化、滴铸、均化、高温再结晶后，两者的平均晶粒尺寸分别为~21 μm和~8 μm。单轴拉伸应力-应变曲线和J阻力曲线（R曲线）显示，两种合金在20 K（液氦温度）下的韧性均高于其他温度。其中，CrMnFeCoNi的裂纹萌生断裂韧性（KJIC）和裂纹扩展韧性（KSS）分别为262和383 MPa•m1/2，而CrCoNi的相应值为459和544 MPa•m1/2，大大高于前者。如果对这个数值没有概念，可以举一个常见的例子，客机中常用的铝基机身在相同条件下的断裂韧性仅为 35 MPa•m1/2左右。

CrCoNi和CrMnFeCoNi高熵合金的J阻力曲线，以及断裂韧性随温度的变化。图片来源：Science

两种高熵合金都是简单的单相固溶体，没有太过于复杂的微观结构。那么，这种优异的断裂韧性，尤其是低温下逐步增强的机理是什么呢？通过对20 K下高熵合金断裂后断口位置形貌和微观结构的分析，研究者发现，这些区域局部应变达到60~100%，同时单相结构转变为复杂相且富含缺陷的混合体，裂纹尖端附近的塑性区出现大量因变形诱发的孪晶。

两种合金的断口形貌和微观结构。图片来源：Science

CrCoNi合金裂纹尖端的电子背散射衍射（EBSD）分析。图片来源：Science

研究者认为，低层错能推动的形变模式的不同，或许是导致低温断裂韧性增强的主要原因。室温下，CrCoNi的断裂面也存在纳米孪晶或层错，尺寸约为几纳米，而20 K下，纳米孪晶和堆叠断层尺寸非常微小，且出现了典型的六方紧密堆积相（hcp），这是室温断裂面所没有的。理论计算表明，hcp相比面心立方相（fcc）更稳定，而低温条件限制了位错运动和孪晶生长，因此增加了孪晶和hcp相的形成。

293 K和20 K下，断裂面附近微观结构。图片来源：Science

作为低温结构材料，CrCoNi合金是迄今为止报告的所有金属合金中断裂韧性最高的。这表明该类材料在低温条件下依旧具有广泛的应用前景，如液态氢、液态天然气的远距离运输，以及航空航天飞行器结构材料等。

强度-韧性关系的阿什比图。图片来源：Science

“当你设计结构材料时，总希望它们既有高强度又有高延展性”，论文作者Easo P. George说，我们通常只能在这些此消彼长的特性中做出“折衷选择，但这种金属合金同时具有这两种特性，在低温下不会变脆，反而变得更有韧性”。“这种材料在液氦温度范围（20 K）下的韧性高达500 MPa•m1/2，相比之下，最好的钢材商业产品的韧性也不过约100 MPa•m1/2。‘500’，这是一个惊人的数字”，Robert O. Ritchie说，“材料的结构决定了它的特性。CrCoNi的结构极为简单，然而当它发生形变时，结构会变得非常复杂，而这种转变有助于解释其非凡断裂韧性”。 [4]

Exceptional fracture toughness of CrCoNi-based medium- and high-entropy alloys at 20 kelvin

Dong Liu, Qin Yu, Saurabh Kabra, Ming Jiang, Paul Forna-Kreutzer, Ruopeng Zhang, Madelyn Payne, Flynn Walsh, Bernd Gludovatz, Mark Asta, Andrew M. Minor, Easo P. George, Robert O. Ritchie

Science, 2022, 378, 978-983. DOI: 10.1126/science.abp8070

参考文献：

[1] Robert O. Ritchie, The conflicts between strength and toughness. Nat. Mater. 2011, 10, 817-822. DOI: 10.1038/nmat3115

[2] B. Gludovatz, et al. A fracture-resistant high-entropy alloy for cryogenic applications. Science, 2014, 345, 1153-1158. DOI: 10.1126/science.1254581

[3] E. P. George, et al., High-entropy alloys. Nat. Rev. Mater. 2019, 4, 515-534. DOI: 10.1038/s41578-019-0121-4

[4] Say Hello to the Toughest Material on Earth

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

（本文由小希供稿）