研究人員測試多元素高熵合金發現驚奇結果

　　金屬合金設計中有一個新概念---叫做“高熵合金”---它是一種已經生產出來了的多元材料，這種材料不僅是迄今為止測定到的最堅韌的材料之一，而且與大多數其他材料也不相同，它的韌性、強度和延展性在低溫條件下均有顯著地提高。該合金的合成和測試是由美國能源部(DOE)的Lawrence Berkeley和橡樹嶺國家實驗室(Berkeley Lab 和ORNL)的研究員們共同協作完成的。

　　Berkeley實驗室材料科學部門的材料科學家Robert Ritchie表示：“我們測量的是一個包含Cr、Mn、Fe、Co、Ni這五種主要元素的高熵合金，而不是一種元素起主導作用的高熵合金。其結果顯示：盡管運用了不同的晶體結構包含多種元素，這種合金仍然是以單相形式結晶，面心立方固體也具有異常的損傷容限，斷裂韌性高于一個吉帕斯卡，并且斷裂韌性圖表的值超過了其他幾乎所有的金屬合金。

　　通訊作者Ritchie 和橡膠嶺國家實驗室的 Easo George 在《Science》雜志上發表論文描述了這個研究。該題目是《A fracture resistant high‐entropy alloy for cryogenic applications》，而且Bernd Gludovatz, Anton Hohenwarter, DhirajCatoor 和 Edwin Chang均是合著者。

　　將兩種金屬混合在一起形成合金從而使得合金分別具有構成元素的性能，這樣的傳統可以追溯到幾千年前。在公元前4000年，人們開始將一種硬質金屬錫加入到銅里，來生產一種質軟且比較易于熔融的金屬青銅，青銅合金的強度比純銅高很多。后來人們發現將碳加入鐵可以產生強度更高的鋼，并且再加入鎳和鉻后，還可以獲得抗腐蝕的鋼。傳統的合金在混有微量元素的組成部分中往往有著單一的主成分，并且機械性能還依賴于存在的第二相。

　　“高熵合金從根本上違反了傳統方法，”里奇說道，“它的性質并非來自合金中的單一成分或第二相。高熵這一概念意味著，隨著合金成分元素的增加，其位形熵也增加，也就抵消了它們形成化合物，變成類似于純金屬的單相態材料的趨勢。”

　　雖然高熵合金出現已有十多年，但直到最近它們的性能得到充分的科學研究。橡樹嶺國家實驗室伊索?喬治研究小組把高純元素初始材料用電弧熔融，結合澆鑄工藝造出了高質量的合金CrMnFeCoNi（鉻，錳，鐵，鈷，鎳），樣本為層狀結構，厚約10毫米。他們檢驗了樣本的延展性和微觀結構后，把樣本送到伯克利實驗室材料科學分部材料科學家羅伯特?里奇那里做進一步檢測。

　　里奇，是加利福尼亞州（加州）大學伯克利分校的H. T. 和 Jessie Chua特聘工程學講席教授，是研究材料力學行為的國際公認的權威。

　　“我們推斷出單相的高熵合金將能應用于理想的低溫環境，如制作液化天然氣、氫氣和氧氣儲罐,”他說，“我們的工作是首次深入研究了這類合金的斷裂韌性性能,你瞧,他們真是驚人！”

　　從室溫降至77開爾文（液氮的溫度），測定了CrMnFeCoNi合金的拉伸強度和斷裂韌性值。所有報道過的材料中幾個最高的值是記錄值。這些值在一定低溫下隨著延展性增加而增加，這一性能是與絕大部分金屬合金背道而馳的，在更低溫度下它將失去延展性并且變得更有脆性。里奇和喬治認為，CrMnFeCoN合金具有卓越低溫強度，塑性和韌性的答案在這種被稱為“納米孿晶”的現象之中，即變形過程中，在相鄰的結晶區域的原子排列互為鏡像。

　　從室溫降至77開爾文（液氮的溫度），測定了CrMnFeCoNi合金的拉伸強度和斷裂韌性值。所有報道過的材料中幾個最高的值是記錄值。這些值在一定低溫下隨著延展性增加而增加，這一性能是與絕大部分金屬合金背道而馳的，在更低溫度下它將失去延展性并且變得更有脆性。里奇和喬治認為，CrMnFeCoN合金具有卓越低溫強度，塑性和韌性的答案在這種被稱為“納米孿晶”的現象之中，即變形過程中，在相鄰的結晶區域的原子排列互為鏡像。

　　“在低溫下，當材料發生塑性變形就會形成納米雙孿晶，”里奇說。 “這代表可塑性原理除了平面滑移位錯運動發生在環境溫度下的大多數金屬中。納米孿晶變形的結果是一個連續的應變硬化，從而起到抑制局部變形，進而導致過早失效。