特別說明：本文由學研匯技術中心原創撰寫，旨在分享相關科研知識。因學識有限，難免有所疏漏和錯誤，請讀者批判性閱讀，也懇請大方之家批評指正。研究背景
1912年，英國遠洋客輪撞上冰山沉沒，泰坦尼克號發生了災難性的事故。低溫下船體鋼的抗斷裂能力不足導致了船只的滅亡。自此，選擇具有優異低溫韌性的材料成為低溫承重應用的重要先決條件。中熵和高熵合金是由三種或三種以上等量成分組成的金屬材料。那些以鉻、鈷和鎳為主要元素的合金表現出很高的耐損傷性，這引發了對鉻鈷鎳基合金的研究，這些合金可以承受極端環境，如非常低的溫度。
關鍵問題
盡管對斷裂力學的理解有所進步，但大多數金屬材料的韌性會隨著溫度的降低而降低，尤其是在液氦的溫度范圍內。2、設計具有低溫韌性的合金需明確斷裂特性和材料韌性機制具有面心立方(fcc)結構的金屬通常在低溫下表現出優異的韌性但，當溫度達到液氮環境的溫度時，大多數fcc合金的抗破裂性降低。此外，面心立方合金的是通過降低堆垛層錯能來實現的，由于應變，這種不規則性加大了能量成本。3、尚未進行低溫下對中熵或高熵合金的全電阻曲線測試目前，仍缺少在接近液氦溫度的低溫下對中熵或高熵合金進行定義裂紋起始和裂紋擴展斷裂韌性的全電阻曲線測量。
新思路
有鑒于此，美國勞倫斯伯克利國家實驗室Robert O. Ritchie等人鑒于CrCoNi基中熵和高熵合金在低溫下出色的損傷容限，檢查了等原子CrCoNi和CrMnFeCoNi合金在20K下的斷裂韌性值。發現CrMnFeCoNi和CrCoNi的裂紋萌生斷裂韌性特別高，CrCoNi表現出超過540 MPa·m的裂紋擴展韌性。20 K下的裂尖變形結構涉及堆垛層錯、細小納米孿晶和轉化ε馬氏體的成核和受限生長，具有能夠促進位錯的阻止和傳輸以產生強度和延展性的共格界面。合金通過變形機制、位錯滑移、堆垛層錯形成、納米孿晶和相變的漸進協同作用來提高抗斷裂性，這些機制協同作用以延長應變硬化，同時提高強度和延展性，從而產生優異的韌性。作者研究了CrCoNi和CrMnFeCoNi合金在低溫下的機械性能以及斷裂后的結構，解析了塑性變形機制和缺陷行為，獲得了有記錄以來最高的韌性。作者著眼于合金塑性變形的協同缺陷行為，通過合金中微觀結構特征的大小和分布，認為由低堆垛層錯能引起的20 K變形模式的這種變化是突破性斷裂韌性的主要原因。作者解析了應變硬化的程度隨著溫度降低而增加歸因于較低堆垛層錯能量、納米孿晶化以及變形誘導的向hcp相的轉變。1、開發了低溫下高韌性的高熵合金，報道了有史以來最大的斷裂韌性值發現CrMnFeCoNi和CrCoNi的裂紋起始斷裂韌性分別為262和 459MPa·m1/2，CrCoNi在2.25毫米的穩定開裂后，顯示出超過540 MPa·m1/2的裂紋擴展韌性。探索了CrCoNi基合金在20 K下的韌性機制，測量并觀察了裂紋萌生、變形和斷裂等行為，證實低堆垛層錯能促進高應力下變形機制的變化是斷裂韌性提高的原因。
技術細節
通過在實驗室環境中進行單軸拉伸試驗和非線性彈性J型斷裂韌性試驗，研究了CrCoNi和CrMnFeCoNi合金在低溫(~20 K)下的機械性能。還進行了原位中子衍射測量和大量的斷裂后電子背散射衍射(EBSD)分析、斷口分析，特別是透射電子顯微鏡，以詳細檢查顯著的塑性變形機制和缺陷行為，這些機制和行為代表了其優異的抗斷裂性的基本基礎，發現與大多數金屬材料不同，抗斷裂性隨著溫度的降低而逐漸增加。兩種合金都顯示出顯著上升的R曲線，該曲線隨著溫度的降低而逐漸增加，尤其是CrCoNi。在20 K時表現出極高的斷裂韌性值；CrMnFeCoNi合金的KJIc和Kss值分別為262和383 MPa·m1/2，而CrCoNi的相應值為459和544 MPa·m1/2，是有記錄以來最高的韌性之一。20 K下的斷裂面沒有顯示出脆性斷裂特征的跡象，并通過微孔聚結表現出100%的延性破壞。圖 CrCoNi和CrMnFeCoNi合金的J-R曲線和斷裂韌性值為了解析合金異常抗斷裂性的來源，以及為什么它在低溫下會如此漸進地增強，著眼于造成這些合金塑性變形的協同缺陷行為，主要使用CrCoNi合金來說明20 K與室溫下的原型行為。對塑性區內的嚴重變形區域進行了斷裂后EBSD分析和HRTEM,這些區域直接與裂紋尖端相鄰，局部應變很容易達到60-100%的數量級。盡管微觀結構開始時是相當簡單的單相固溶體，但在20 K下的變形將該結構轉變成豐富而復雜的相和缺陷結構的混合物。20 K下的樣品主要的平面特征是充滿堆垛層錯的變形帶，與室溫下形成的納米孿晶相比，CrCoNi在20 K下顯示出納米孿晶化趨勢降低，并且納米孿晶尺寸更小。通過合金中微觀結構特征的大小和分布，認為由低堆垛層錯能引起的20 K變形模式的這種變化是突破性斷裂韌性的主要原因。圖 293和20 K時CrCoNi合金靠近斷裂面的變形微觀結構應變硬化的程度隨著溫度降低而增加主要跟以下因素相關:(1)較低堆垛層錯能量，它通過增加Shockley分力之間的間距來阻礙交叉滑移；（2）促進納米孿晶化(也與較低的堆垛層錯能有關)；和(3)變形誘導的向hcp相的轉變的開始(但僅限于有限的程度，因為太多的hcp會使材料變脆)?；谝陨显瓌t，在這里給出的基于CrCoNi的MEAs和HEAs的結果表明，在非常低的溫度(20 K)下，斷裂韌性的單調改善是可能的。這種情況很少發生，尤其是在bcc和hcp合金中，當溫度降低時，它們會經歷韌脆轉變。甚至許多fcc合金在臨界溫度以下顯示出韌性的顯著下降。作為低溫結構材料，等原子、單相fcc CrCoNi基中熵和高熵合金，特別是CrCoNi合金，在迄今為止報道的所有金屬合金中，具有一些最令人印象深刻的機械性能。
展望
總之，本工作認識到要想同時提高強度、延性和韌性，需要按正確的順序激活多個應變硬化機制。這一基本觀點適用于整個低溫范圍，HEAs和MEAs滿足這一觀點的獨特材料，因為它們具有多個成分"刻度盤"，可以單獨調整每個獨立的機制，而不會對其他機制產生不利影響。本工作提出的合金設計原則具有廣泛的溫度使用應，有望實現在液態氫運輸、深空承重材料、深海運輸材料等重要領域的廣泛應用。PENG ZHANG, et al. Getting tougher in the ultracold. Science, 2022, 378(6623): 947-948.DOI: 10.1126/science.adf2205.https://www.science.org/doi/10.1126/science.adf2205DONG LIU, et al. Exceptional fracture toughness of CrCoNi-based medium- and high-entropy alloys at 20 kelvin. Science, 2022, 378(6623): 978-983.DOI: 10.1126/science.abp8070.https://www.science.org/doi/10.1126/science.abp8070
