钢铁再发Science！零下250度还具有超强韧性！

1912年泰坦尼克号撞上冰山沉没时，由于船舶钢材在低温下的抗断裂性不足，使得船舶很快消亡。此后，选择具有优异低温韧性的材料成为低温承重应用的重要先决条件。尽管在理解断裂力学方面取得了进展，但大多数金属材料随着温度的降低而显示出韧性降低，特别是在液氦温度（-269°C; 4.15 K）领域。

因此，在低温下寻找坚韧的合金仍然是一个挑战。高熵合金（HEA）在冶金界引起了越来越多的关注，作为一类金属材料，其性能来自多种主元素的存在，而不是像大多数传统金属合金那样来自单一的主要成分（例如，钢中的铁），该领域已经发展到包括等原子和非等原子合金，单相固溶体和多相成分复杂合金，目标是找到与传统合金不同的性能组合。

在此，美国劳伦斯伯克利国家实验室Robert O. Ritchie教授等展现了某些含有金属铬（Cr）、钴（Co）和镍（Ni）的合金在20 K时表现出优异的断裂韧性，这些金属混合物有可能用于特别低温的应用，例如深空探索。同时，作者探讨了CrCoNi基合金在20 K下韧性的机理（实验在液氦环境中进行，但合金表面仅达到20 K）。

作者测量并观察了裂纹萌生、变形和断裂等行为，以确定与大多数合金相比，这些金属材料如何随着温度的降低而显示出更高的抗断裂性。作者观察到，低堆积断层能量促进了高应力下变形机制的变化，从而解释了断裂韧性。

相关研究成果“Exceptional fracture toughness of CrCoNi-based medium- and high-entropy alloys at 20 kelvin”为题发表在Science上。同时，中科院金属研究所张哲峰研究员和张鹏研究员以“Getting tougher in the ultracold”为题发表评论文章。

实际上，中熵和高熵合金是具有三种或更多等量的成分的金属材料类别。那些以Cr，Co和Ni作为主要元素设计的合金显示出很高的抗损坏性，这引发了对能够承受极端环境（例如极低温度）的CrCoNi基合金的寻找。但是，设计具有低温韧性的合金源于了解裂纹的扩展（断裂性能）和材料抗断裂性的基础机制，即其韧性。例如，具有面心立方（fcc）结构的金属通常在低温下表现出优异的韧性。

不幸的是，当温度达到液氮环境的温度（据报道在63至77K之间）时，大多数fcc合金的抗压裂性降低。显然，仅靠fcc结构不能保证低温韧性。fcc合金的另一个重要特性是在晶体中原子的正常平面堆叠中形成断层。这是通过减少堆叠故障能量来实现的。由于应变，这种不规则性会带来能源成本。堆叠故障能量与晶格变形所需的机械应力成反比（所谓的机械孪晶）。例如，当堆垛故障能量降低时，由铁（Fe），锰（Mn）和碳（C）组成的钢在低温下表现出更高的韧性。

本文的发现支持了优化金属材料低温韧性有三个核心原则的观点。这些原则遵循提高中等熵合金的强度和塑性的原则，即优化材料在变形前可以承受的抗应力性（强度）和在应力下变形而不断裂的能力（塑性）。

其中一个原则是实现高弹性模量以抑制脆性断裂。对于脆性材料，如玻璃和陶瓷，裂纹会使原子结合力较弱的表面破裂，并导致灾难性断裂。相反，对于延展性合金，裂纹会因位错（即结构内的晶体缺陷）和/或机械孪晶的增加而变钝，后者消耗的能量随着微观结构的变化而消散。因此，提高材料韧性的关键是抑制脆性断裂的发生，改善裂纹尖端（裂纹扩展点）附近的塑性功。

在三个原则中，增加弹性模量可以增加断裂所需的载荷。这反过来又会抑制裂纹的扩展，从而产生高断裂韧性。对于镁，铝，铜和钛合金和钢，断裂韧性几乎与它们的弹性模量同步增加。本文研究的CrCoNi基中高熵合金的模量为>200 GPa，与钢相似，这是其高断裂韧性的原因。

另一个设计原则是减少堆垛故障能量以改善塑性工作。降低这种能量可以同时提高铜合金，FeMn基钢和各种fcc合金的强度和延展性。由于塑性加工可以估算为强度和塑性的乘积，因此减少堆垛故障能量可以改善塑性加工。事实上，本文利用堆垛断层能量效应创造了一种基于CrCoNi的高熵合金，以实现优异的低温断裂韧性。

第三个设计原则与fcc结构稳定性有关。具有这种结构的金属材料在低温变形过程中可能会发生晶体结构转变（相变）。一般认为，这种转变会形成对材料增韧有害的脆性结构。然而，并非所有具有这种转化结构的金属都是脆性的，相变产生的能量可以提高韧性。因此，控制fcc稳定性的关键是确保塑性功不会因相变而减少，而是抑制相变。