CrCoNi基合金在20K下韧性的机理（实验）

1912年泰坦尼克号撞上冰山沉没时，由于船体钢材在低温下抗断裂能力不足，该船很快就沉没了。 自此，选择具有优异低温韧性的材料就成为低温承载应用的重要前提。 尽管在理解断裂力学方面取得了进展，但大多数金属材料的韧性随着温度的降低而降低，特别是在液氦温度（-269°C；4.15 K）范围内。

因此，寻找低温下坚韧的合金仍然是一个挑战。 高熵合金（HEA）作为一类金属材料在冶金界受到越来越多的关注，其特性源自多种主要元素的存在，而不是像大多数传统金属合金（例如，钢中的铁）那样源自单一主要成分。 ），该领域已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，其目标是找到与传统合金不同的性能组合。

在这里，美国劳伦斯伯克利国家实验室的Robert O. Ritchie教授等人表明，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。混合物有潜力用于特别低温的应用，例如深空探索。 同时，作者探索了CrCoNi基合金在20 K下的韧性机制（实验在液氦环境下进行，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，随着温度降低，这些金属材料如何表现出更大的抗断裂性。 作者观察到，低层错能促进高应力下变形机制的变化，从而解释了断裂韧性。

相关研究成果以“20开尔文下CrCoNi基中高熵合金的卓越断裂韧性”为题发表在《Science》杂志上。 与此同时，中国科学院金属研究所研究员张哲峰、张鹏发表了题为《在超冷中变得更强硬》的综述文章。

事实上，中熵合金和高熵合金是具有三种或更多等量成分的金属材料。 这些以Cr、Co和Ni为主要元素设计的合金表现出很高的抗损伤能力，这引发了人们对能够承受极低温度等极端环境的CrCoNi基合金的研究。 然而，设计具有低温韧性的合金源于了解裂纹扩展（断裂行为）的机制和材料的抗断裂能力，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 到 77K 之间）时，大多数 FCC 合金的抗破裂性都会降低。 显然，仅靠FCC结构并不能保证低温韧性。 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缺陷。 这是通过减少堆故障能量来实现的。 这种不规则性会因应变而产生能源成本。 堆叠失效能量与使晶格变形（所谓的机械孪生）所需的机械应力成反比。 例如，当堆垛失效能降低时，由铁（Fe）、锰（Mn）和碳（C）组成的钢在低温下表现出更高的韧性。

本文的研究结果支持了优化金属材料低温韧性的三个核心原则的观点。 这些原理遵循提高中熵合金的强度和延展性的原则，即优化材料在变形前能够承受的应力抵抗力（强度）以及在应力下变形而不断裂的能力（塑性）。

原理之一是获得高弹性模量以抑制脆性断裂。 在玻璃和陶瓷等脆性材料中，裂纹会破坏原子结合较弱的表面，并导致灾难性断裂。 相比之下，在延展性合金中，通过添加位错（即结构内的晶体缺陷）和/或机械孪晶来消除裂纹，机械孪晶会随着微观结构的变化而消耗能量。 因此，提高材料韧性的关键是抑制脆性断裂的发生，提高裂纹尖端（裂纹扩展点）附近的塑性功。

在这三个原则中，增加弹性模量会增加断裂所需的负载。 这反过来又抑制裂纹扩展，从而获得高断裂韧性。 对于镁、铝、铜和钛合金以及钢，断裂韧性几乎与其弹性模量同时增加。 本文研究的CrCoNi基中高熵合金的模量>200 GPa，与钢相似，这也是其断裂韧性高的原因。

另一个设计原则是减少堆失效能以提高塑性功。 降低该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。 由于塑料加工可以估计为强度和塑性的乘积，因此降低堆叠失效能可以改善塑料加工。 事实上，本文利用堆垛层错能量效应创建了一种 CrCoNi 基高熵合金，以实现优异的低温断裂韧性。

第三个设计原则涉及面心立方结构稳定性。 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）。 人们普遍认为这种转变会产生脆性结构，不利于材料的增韧。 然而，并非所有具有这种相变结构的金属都是脆性的，相变产生的能量可以增加韧性。 因此，控制FCC稳定性的关键是保证塑性功不因相变而降低，而是抑制相变。

图1 CrCoNi和CrMnFeCoNi合金的JR曲线和断裂韧性值随温度的变化

图2 CrCoNi基合金的显微组织和断口

图 3. EBSD 图像

图 4. CrCoNi 合金在 293 和 20 K 下断裂表面附近变形微观结构的 HRTEM 和 4D-STEM 表征。

图5 断裂韧性比较

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