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1912年泰坦尼克號撞上冰山沉沒時，由于船舶鋼材在低溫下的抗斷裂性不足，使得船舶很快消亡。此后，選擇具有優(yōu)異低溫韌性的材料成為低溫承重應(yīng)用的重要先決條件。盡管在理解斷裂力學(xué)方面取得了進(jìn)展，但大多數(shù)金屬材料隨著溫度的降低而顯示出韌性降低，特別是在液氦溫度（-269°C; 4.15 K）領(lǐng)域。

因此，在低溫下尋找堅韌的合金仍然是一個挑戰(zhàn)。高熵合金（HEA）在冶金界引起了越來越多的關(guān)注，作為一類金屬材料，其性能來自多種主元素的存在，而不是像大多數(shù)傳統(tǒng)金屬合金那樣來自單一的主要成分（例如，鋼中的鐵），該領(lǐng)域已經(jīng)發(fā)展到包括等原子和非等原子合金，單相固溶體和多相成分復(fù)雜合金，目標(biāo)是找到與傳統(tǒng)合金不同的性能組合。

在此，美國勞倫斯伯克利國家實驗室Robert O. Ritchie教授等展現(xiàn)了某些含有金屬鉻（Cr）、鈷（Co）和鎳（Ni）的合金在20 K時表現(xiàn)出優(yōu)異的斷裂韌性，這些金屬混合物有可能用于特別低溫的應(yīng)用，例如深空探索。同時，作者探討了CrCoNi基合金在20 K下韌性的機(jī)理（實驗在液氦環(huán)境中進(jìn)行，但合金表面僅達(dá)到20 K）。

作者測量并觀察了裂紋萌生、變形和斷裂等行為，以確定與大多數(shù)合金相比，這些金屬材料如何隨著溫度的降低而顯示出更高的抗斷裂性。作者觀察到，低堆積斷層能量促進(jìn)了高應(yīng)力下變形機(jī)制的變化，從而解釋了斷裂韌性。

相關(guān)研究成果“Exceptional fracture toughness of CrCoNi-based medium- and high-entropy alloys at 20 kelvin”為題發(fā)表在Science上。同時，中科院金屬研究所張哲峰研究員和張鵬研究員以“Getting tougher in the ultracold”為題發(fā)表評論文章。

實際上，中熵和高熵合金是具有三種或更多等量的成分的金屬材料類別。那些以Cr，Co和Ni作為主要元素設(shè)計的合金顯示出很高的抗損壞性，這引發(fā)了對能夠承受極端環(huán)境（例如極低溫度）的CrCoNi基合金的尋找。但是，設(shè)計具有低溫韌性的合金源于了解裂紋的擴(kuò)展（斷裂性能）和材料抗斷裂性的基礎(chǔ)機(jī)制，即其韌性。例如，具有面心立方（fcc）結(jié)構(gòu)的金屬通常在低溫下表現(xiàn)出優(yōu)異的韌性。

不幸的是，當(dāng)溫度達(dá)到液氮環(huán)境的溫度（據(jù)報道在63至77K之間）時，大多數(shù)fcc合金的抗壓裂性降低。顯然，僅靠fcc結(jié)構(gòu)不能保證低溫韌性。fcc合金的另一個重要特性是在晶體中原子的正常平面堆疊中形成斷層。這是通過減少堆疊故障能量來實現(xiàn)的。由于應(yīng)變，這種不規(guī)則性會帶來能源成本。堆疊故障能量與晶格變形所需的機(jī)械應(yīng)力成反比（所謂的機(jī)械孿晶）。例如，當(dāng)堆垛故障能量降低時，由鐵（Fe），錳（Mn）和碳（C）組成的鋼在低溫下表現(xiàn)出更高的韌性。

本文的發(fā)現(xiàn)支持了優(yōu)化金屬材料低溫韌性有三個核心原則的觀點。這些原則遵循提高中等熵合金的強(qiáng)度和塑性的原則，即優(yōu)化材料在變形前可以承受的抗應(yīng)力性（強(qiáng)度）和在應(yīng)力下變形而不斷裂的能力（塑性）。

其中一個原則是實現(xiàn)高彈性模量以抑制脆性斷裂。對于脆性材料，如玻璃和陶瓷，裂紋會使原子結(jié)合力較弱的表面破裂，并導(dǎo)致災(zāi)難性斷裂。相反，對于延展性合金，裂紋會因位錯（即結(jié)構(gòu)內(nèi)的晶體缺陷）和/或機(jī)械孿晶的增加而變鈍，后者消耗的能量隨著微觀結(jié)構(gòu)的變化而消散。因此，提高材料韌性的關(guān)鍵是抑制脆性斷裂的發(fā)生，改善裂紋尖端（裂紋擴(kuò)展點）附近的塑性功。

在三個原則中，增加彈性模量可以增加斷裂所需的載荷。這反過來又會抑制裂紋的擴(kuò)展，從而產(chǎn)生高斷裂韌性。對于鎂，鋁，銅和鈦合金和鋼，斷裂韌性幾乎與它們的彈性模量同步增加。本文研究的CrCoNi基中高熵合金的模量為>200 GPa，與鋼相似，這是其高斷裂韌性的原因。

另一個設(shè)計原則是減少堆垛故障能量以改善塑性工作。降低這種能量可以同時提高銅合金，F(xiàn)eMn基鋼和各種fcc合金的強(qiáng)度和延展性。由于塑性加工可以估算為強(qiáng)度和塑性的乘積，因此減少堆垛故障能量可以改善塑性加工。事實上，本文利用堆垛斷層能量效應(yīng)創(chuàng)造了一種基于CrCoNi的高熵合金，以實現(xiàn)優(yōu)異的低溫斷裂韌性。

第三個設(shè)計原則與fcc結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性有關(guān)。具有這種結(jié)構(gòu)的金屬材料在低溫變形過程中可能會發(fā)生晶體結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變（相變）。一般認(rèn)為，這種轉(zhuǎn)變會形成對材料增韌有害的脆性結(jié)構(gòu)。然而，并非所有具有這種轉(zhuǎn)化結(jié)構(gòu)的金屬都是脆性的，相變產(chǎn)生的能量可以提高韌性。因此，控制fcc穩(wěn)定性的關(guān)鍵是確保塑性功不會因相變而減少，而是抑制相變。