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向地球上最坚硬的材料问好

导读 科学家们在研究一种由铬、钴和镍(CrCoNi)制成的金属合金时,测出了有史以来最高的韧性。这种金属不仅具有极强的延展性——在材料科学中,这...

科学家们在研究一种由铬、钴和镍(CrCoNi)制成的金属合金时,测出了有史以来最高的韧性。这种金属不仅具有极强的延展性——在材料科学中,这意味着高度可延展——而且非常坚固(意味着它能抵抗永久变形),它的强度和延展性随着温度的降低而提高。这与现有的大多数其他材料背道而驰。

该团队由来自劳伦斯伯克利国家实验室(BerkeleyLab)和橡树岭国家实验室的研究人员领导,在《科学》杂志上发表了一项描述他们破纪录发现的研究。

“当你设计结构材料时,你希望它们既坚固又具有延展性和抗断裂性,”项目共同负责人EasoGeorge说,他是ORNL和田纳西大学先进合金理论与开发的州长主席。“通常,它是这些特性之间的折衷。但这种材料兼具两者,并且在低温下不会变脆,而是变得更硬。”

CrCoNi是称为高熵合金(HEA)的一类金属的子集。当今使用的所有合金都含有高比例的一种元素和少量添加的其他元素,但HEA是由每种组成元素的等量混合制成的。

这些平衡的原子配方似乎赋予其中一些材料在受压时具有非常高的强度和延展性组合,它们共同构成了所谓的“韧性”。自从大约20年前首次开发HEA以来,HEA一直是研究的热门领域,但直到最近才出现在极端测试中将材料推向极限所需的技术。

“这种材料在液氦温度(20开尔文,-424华氏度)附近的韧性高达500兆帕平方根米。在相同的单位中,一块硅的韧性是1,客机中的铝制机身是大约35,而一些最好的钢材的韧性在100左右。因此,500,这是一个惊人的数字,”伯克利实验室材料科学部高级教职科学家兼Chua工程学教授,研究联合负责人RobertRitchie说在加州大学伯克利分校。

大约十年前,Ritchie和George开始试验CrCoNi和另一种也含有锰和铁的合金(CrMnFeCoNi)。他们制作了合金样品,然后将材料降低到液氮温度(大约77开尔文,或-321华氏度),并发现了令人印象深刻的强度和韧性。

他们立即想继续他们的工作,在液氦温度范围内进行测试,但要找到能够在如此寒冷的环境中对样品进行压力测试的设施,并招募具有分析材料中发生的情况所需的分析工具和经验的团队成员原子水平花了接下来的10年。值得庆幸的是,结果值得等待。

凝视水晶

许多固体物质,包括金属,都以结晶形式存在,其特征是重复的3-D原子模式,称为晶胞,构成更大的结构,称为晶格。材料的强度和韧性,或缺乏强度和韧性,来自晶格的物理特性。

没有晶体是完美的,因此材料中的晶胞不可避免地包含“缺陷”,一个突出的例子是位错——未变形晶格与变形晶格相遇的边界。当对材料施加力时——例如,想一想弯曲金属勺子——形状的变化是通过位错在晶格中的移动来实现的。

位错越容易移动,材料越软。但是如果位错的运动被晶格不规则形式的障碍物阻挡,那么就需要更多的力来移动位错内的原子,并且材料变得更坚固。另一方面,障碍物通常会使材料更脆——容易开裂。

使用中子衍射、电子背散射衍射和透射电子显微镜,Ritchie、George和他们在伯克利实验室、布里斯托大学、卢瑟福阿普尔顿实验室和新南威尔士大学的同事检查了CrCoNi样品的晶格结构在室温和20K下断裂。(为了测量强度和延展性,原始金属试样被拉伸直至断裂,而对于断裂韧性测试,在拉伸之前有意将尖锐的裂纹引入样品中,并且应力增长所需的应力然后测量裂缝。)

这些图像由扫描电子显微镜生成,显示了(A)CrMnFeCoNi和(B)CrCoNi合金的晶粒结构和晶格取向。(C)和(D)分别显示CrCoNi在293K和20K时的断裂示例。图片来源:罗伯特·里奇/伯克利

从这些技术生成的图像和原子图显示,合金的韧性是由于当对材料施加力时以特定顺序起作用的三重位错障碍。首先,移动位错导致晶体区域从平行平面上的其他区域滑开。

这种运动取代了单元格层,因此它们的图案不再在垂直于滑动运动的方向上匹配,从而产生了一种障碍。金属上的进一步力会产生一种称为纳米孪生的现象,其中晶格区域形成镜像对称,其间有边界。

最后,如果力继续作用在金属上,则输入系统的能量会改变晶胞本身的排列,CrCoNi原子从面心立方晶体转变为另一种称为六方密堆积的排列。

这种原子相互作用的顺序确保金属保持流动,但也不断遇到来自障碍物的新阻力,远远超过大多数材料从应变中断裂的程度。“所以当你拉动它时,第一个机制启动,然后第二个启动,然后第三个启动,然后是第四个,”Ritchie解释道。

“现在,很多人会说,好吧,我们已经在常规材料中看到了纳米孪生,我们在常规材料中看到了滑移。这是真的。这并没有什么新鲜事,但事实是它们都以这种神奇的顺序发生这给了我们这些非常巨大的特性。”

该团队的新发现,连同最近关于HEA的其他工作,可能会迫使材料科学界重新考虑长期以来关于物理特性如何产生性能的观念。“这很有趣,因为冶金学家说材料的结构决定了它的特性,但NiCoCr的结构是你能想象到的最简单的——它只是晶粒,”Ritchie说。

“然而,当你使它变形时,结构变得非常复杂,这种转变有助于解释它对断裂的特殊抵抗力,”共同作者,伯克利实验室分子铸造厂国家电子显微镜设施中心主任AndrewMinor补充道,加州大学伯克利分校材料科学与工程教授。

“由于我们的电子显微镜中快速电子探测器的发展,我们能够看到这种意想不到的转变,这使我们能够辨别不同类型的晶体,并以单纳米的分辨率量化它们内部的缺陷——宽度仅为几个原子——事实证明,这大约是变形的NiCoCr结构中缺陷的大小。”

CrMnFeCoNi合金也在20开尔文下进行了测试,表现令人印象深刻,但没有达到与更简单的CrCoNi合金相同的韧性。

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现在,人们对CrCoNi合金的内部工作原理有了更好的了解,它和其他HEA离在特殊应用中的采用又近了一步。尽管这些材料的制造成本很高,但乔治预见到在极端环境可能会破坏标准金属合金的情况下的用途,例如在深空的寒冷温度下。

他和他在橡树岭的团队也在研究如何让由更丰富和更便宜的元素制成的合金——由于电池行业对钴和镍的需求,全球范围内钴和镍短缺——可以被诱导具有类似的特性。

虽然进展令人兴奋,但Ritchie警告说,出于充分的理由,现实世界的使用可能还有一段路要走。“当你在飞机上飞行时,你会想知道让你免于坠落40,000英尺的是几个月前才开发的机身合金吗?还是你希望这些材料成熟且易于理解?这就是为什么结构材料可能需要很多年,甚至几十年才能投入实际使用。”

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