研究人员测试多元素高熵合金发现惊奇结果

晓说

金属合金设计中有一个新概念---叫做“高熵合金”---它是一种已经生产出来了的多元材料，这种材料不仅是迄今为止测定到的最坚韧的材料之一，而且与大多数其他材料也不相同，它的韧性、强度和延展性在低温条件下均有显著地提高。该合金的合成和测试是由美国能源部(DOE)的Lawrence Berkeley和橡树岭国家实验室(Berkeley Lab 和ORNL)的研究员们共同协作完成的。

Berkeley实验室材料科学部门的材料科学家Robert Ritchie表示：“我们测量的是一个包含Cr、Mn、Fe、Co、Ni这五种主要元素的高熵合金，而不是一种元素起主导作用的高熵合金。其结果显示：尽管运用了不同的晶体结构包含多种元素，这种合金仍然是以单相形式结晶，面心立方固体也具有异常的损伤容限，断裂韧性高于一个吉帕斯卡，并且断裂韧性图表的值超过了其他几乎所有的金属合金。

通讯作者Ritchie 和橡胶岭国家实验室的 Easo George 在《Science》杂志上发表论文描述了这个研究。该题目是《A fracture resistant high‐entropy alloy for cryogenic applications》，而且Bernd Gludovatz, Anton Hohenwarter, DhirajCatoor 和 Edwin Chang均是合著者。

将两种金属混合在一起形成合金从而使得合金分别具有构成元素的性能，这样的传统可以追溯到几千年前。在公元前4000年，人们开始将一种硬质金属锡加入到铜里，来生产一种质软且比较易于熔融的金属青铜，青铜合金的强度比纯铜高很多。后来人们发现将碳加入铁可以产生强度更高的钢，并且再加入镍和铬后，还可以获得抗腐蚀的钢。传统的合金在混有微量元素的组成部分中往往有着单一的主成分，并且机械性能还依赖于存在的第二相。

“高熵合金从根本上违反了传统方法，”里奇说道，“它的性质并非来自合金中的单一成分或第二相。高熵这一概念意味着，随着合金成分元素的增加，其位形熵也增加，也就抵消了它们形成化合物，变成类似于纯金属的单相态材料的趋势。”

虽然高熵合金出现已有十多年，但直到最近它们的性能得到充分的科学研究。橡树岭国家实验室伊索•乔治研究小组把高纯元素初始材料用电弧熔融，结合浇铸工艺造出了高质量的合金CrMnFeCoNi（铬，锰，铁，钴，镍），样本为层状结构，厚约10毫米。他们检验了样本的延展性和微观结构后，把样本送到伯克利实验室材料科学分部材料科学家罗伯特•里奇那里做进一步检测。

里奇，是加利福尼亚州（加州）大学伯克利分校的H. T. 和 Jessie Chua特聘工程学讲席教授，是研究材料力学行为的国际公认的权威。

“我们推断出单相的高熵合金将能应用于理想的低温环境,如制作液化天然气、氢气和氧气储罐,”他说，“我们的工作是首次深入研究了这类合金的断裂韧性性能,你瞧,他们真是惊人！”

从室温降至77开尔文（液氮的温度），测定了CrMnFeCoNi合金的拉伸强度和断裂韧性值。所有报道过的材料中几个最高的值是记录值。这些值在一定低温下随着延展性增加而增加，这一性能是与绝大部分金属合金背道而驰的，在更低温度下它将失去延展性并且变得更有脆性。里奇和乔治认为，CrMnFeCoN合金具有卓越低温强度，塑性和韧性的答案在这种被称为“纳米孪晶”的现象之中，即变形过程中，在相邻的结晶区域的原子排列互为镜像。

从室温降至77开尔文（液氮的温度），测定了CrMnFeCoNi合金的拉伸强度和断裂韧性值。所有报道过的材料中几个最高的值是记录值。这些值在一定低温下随着延展性增加而增加，这一性能是与绝大部分金属合金背道而驰的，在更低温度下它将失去延展性并且变得更有脆性。里奇和乔治认为，CrMnFeCoN合金具有卓越低温强度，塑性和韧性的答案在这种被称为“纳米孪晶”的现象之中，即变形过程中，在相邻的结晶区域的原子排列互为镜像。

“在低温下，当材料发生塑性变形就会形成纳米双孪晶，”里奇说。 “这代表可塑性原理除了平面滑移位错运动发生在环境温度下的大多数金属中。纳米孪晶变形的结果是一个连续的应变硬化，从而起到抑制局部变形，进而导致过早失效。