這種由鉻、鈷和鎳組成的銀色合金是目前世界上已知的最堅(jiān)韌的材料

大約十年前，Ritchie 和 George 開(kāi)始試驗(yàn) CrCoNi 和另一種也含有錳和鐵的合金 (CrMnFeCoNi)。他們制作了合金樣品，然后將材料降低到液氮溫度（大約 77 開(kāi)爾文，或 -321 F），并發(fā)現(xiàn)了令人印象深刻的強(qiáng)度和韌性。他們立即想繼續(xù)他們的工作，在液氦溫度范圍內(nèi)進(jìn)行測(cè)試，但要找到能夠在如此寒冷的環(huán)境中對(duì)樣品進(jìn)行壓力測(cè)試的設(shè)施，并招募具有分析材料中發(fā)生的情況所需的分析工具和經(jīng)驗(yàn)的團(tuán)隊(duì)成員 原子水平花了接下來(lái)的 10 年。值得慶幸的是，結(jié)果值得等待。

這些圖像由掃描電子顯微鏡生成，顯示了 (A) CrMnFeCoNi 和 (B) CrCoNi 合金的晶粒結(jié)構(gòu)和晶格取向。(C) 和 (D) 分別顯示 CrCoNi 在 293 K 和 20 K 時(shí)的斷裂示例。

許多固體物質(zhì)，包括金屬，都以結(jié)晶形式存在，其特征是重復(fù)的 3D 原子模式，稱(chēng)為晶胞，構(gòu)成更大的結(jié)構(gòu)，稱(chēng)為晶格。材料的強(qiáng)度和韌性，或缺乏強(qiáng)度和韌性，來(lái)自晶格的物理特性。沒(méi)有完美的晶體，因此材料中的晶胞不可避免地包含“缺陷”，一個(gè)突出的例子是位錯(cuò)——未變形晶格與變形晶格相遇的邊界。當(dāng)對(duì)材料施加力時(shí)——例如，想一想彎曲金屬勺子——形狀的變化是通過(guò)位錯(cuò)在晶格中的移動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。位錯(cuò)越容易移動(dòng)，材料越軟。但是如果位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)被晶格不規(guī)則形式的障礙物阻擋，那么就需要更多的力來(lái)移動(dòng)位錯(cuò)內(nèi)的原子，并且材料變得更堅(jiān)固。另一方面，障礙物通常會(huì)使材料更脆——容易開(kāi)裂。

(a) 材料通過(guò)電弧熔煉、熔滴鑄造、鍛造和軋制加工成大約 10mm 厚的板材，從中加工出用于橫截面分析、拉伸試驗(yàn)和斷裂韌性試驗(yàn)的樣品。(b) 光學(xué)顯微鏡圖像顯示了板材厚度的不同程度的變形。(c) 掃描電子顯微鏡圖像揭示了再結(jié)晶后變形梯度、等軸晶粒和大量退火孿晶導(dǎo)致的材料晶粒尺寸不均勻（插圖）。(d) 電子背散射衍射掃描的晶粒圖證實(shí)了不同的晶粒尺寸并顯示了完全再結(jié)晶的微觀結(jié)構(gòu)。(e) 能量色散 X 射線光譜驗(yàn)證合金的等原子特性。b、c 中的比例尺和 c 和 d 的插圖分別為 1?mm、200μm、20μm 和 150μm。

使用中子衍射、電子背散射衍射和透射電子顯微鏡，里奇、喬治和他們?cè)诓死麑?shí)驗(yàn)室、布里斯托大學(xué)、盧瑟福阿普爾頓實(shí)驗(yàn)室和新南威爾士大學(xué)的同事檢查了 CrCoNi 樣品的晶格結(jié)構(gòu) 在室溫和 20 K 下斷裂。（為了測(cè)量強(qiáng)度和延展性，原始金屬試樣被拉伸直至斷裂，而對(duì)于斷裂韌性測(cè)試，在拉伸之前有意將尖銳的裂紋引入樣品中，并且應(yīng)力增長(zhǎng)所需的應(yīng)力 然后測(cè)量裂縫。）

從這些技術(shù)生成的圖像和原子圖表明，合金的韌性是由于當(dāng)對(duì)材料施加力時(shí)以特定順序起作用的三重位錯(cuò)障礙。首先，移動(dòng)位錯(cuò)導(dǎo)致晶體區(qū)域從平行平面上的其他區(qū)域滑開(kāi)。這種運(yùn)動(dòng)取代了單元格層，因此它們的圖案不再在垂直于滑動(dòng)運(yùn)動(dòng)的方向上匹配，從而產(chǎn)生了一種障礙。金屬上的進(jìn)一步力會(huì)產(chǎn)生一種稱(chēng)為納米孿生的現(xiàn)象，其中晶格區(qū)域形成鏡像對(duì)稱(chēng)，其間有邊界。最后，如果力繼續(xù)作用在金屬上，則輸入系統(tǒng)的能量會(huì)改變晶胞本身的排列，CrCoNi 原子從面心立方晶體轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N稱(chēng)為六方密堆積的排列。

這種原子相互作用的順序確保金屬保持流動(dòng)，但也不斷遇到來(lái)自障礙物的新阻力，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)大多數(shù)材料從應(yīng)變中斷裂的程度?！八援?dāng)你拉動(dòng)它時(shí)，第一個(gè)機(jī)制啟動(dòng)，然后第二個(gè)啟動(dòng)，然后第三個(gè)啟動(dòng)，然后是第四個(gè)，”Ritchie 解釋道?！艾F(xiàn)在，很多人會(huì)說(shuō)，好吧，我們已經(jīng)在普通材料中看到了納米孿晶，我們?cè)谄胀ú牧现锌吹搅嘶?。確實(shí)如此。這并沒(méi)有什么新鮮事，但事實(shí)上它們都以這種神奇的順序發(fā)生，這給了我們這些真正巨大的特性?！?/span>

該團(tuán)隊(duì)的新發(fā)現(xiàn)，連同最近關(guān)于 HEA 的其他工作，可能會(huì)迫使材料科學(xué)界重新考慮長(zhǎng)期以來(lái)關(guān)于物理特性如何產(chǎn)生性能的觀念。“這很有趣，因?yàn)橐苯饘W(xué)家說(shuō)材料的結(jié)構(gòu)決定了它的特性，但 NiCoCr 的結(jié)構(gòu)是你能想象到的最簡(jiǎn)單的——它只是顆粒，”Ritchie 說(shuō)?！叭欢?，當(dāng)你使它變形時(shí)，結(jié)構(gòu)變得非常復(fù)雜，這種轉(zhuǎn)變有助于解釋它對(duì)斷裂的特殊抵抗力，”共同作者，伯克利實(shí)驗(yàn)室分子鑄造廠國(guó)家電子顯微鏡設(shè)施中心主任 Andrew Minor 補(bǔ)充道， 加州大學(xué)伯克利分校材料科學(xué)與工程教授?！坝捎谖覀冸娮语@微鏡中快速電子探測(cè)器的發(fā)展，我們能夠看到這種意想不到的轉(zhuǎn)變，這使我們能夠辨別不同類(lèi)型的晶體，并以單納米的分辨率量化它們內(nèi)部的缺陷——寬度僅為 幾個(gè)原子——事實(shí)證明，這大約是變形 NiCoCr 結(jié)構(gòu)中缺陷的大小?！?/span>

CrMnFeCoNi 合金也在 20 開(kāi)爾文下進(jìn)行了測(cè)試，表現(xiàn)令人印象深刻，但沒(méi)有達(dá)到與更簡(jiǎn)單的 CrCoNi 合金相同的韌性。

勞倫斯伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室及其科學(xué)家成立于 1931 年，堅(jiān)信最大的科學(xué)挑戰(zhàn)最好由團(tuán)隊(duì)來(lái)解決，已獲得 16 項(xiàng)諾貝爾獎(jiǎng)。今天，伯克利實(shí)驗(yàn)室的研究人員開(kāi)發(fā)可持續(xù)能源和環(huán)境解決方案，創(chuàng)造有用的新材料，推進(jìn)計(jì)算前沿，探索生命、物質(zhì)和宇宙的奧秘。來(lái)自世界各地的科學(xué)家依靠實(shí)驗(yàn)室的設(shè)施進(jìn)行他們自己的發(fā)現(xiàn)科學(xué)。伯克利實(shí)驗(yàn)室是一個(gè)多項(xiàng)目國(guó)家實(shí)驗(yàn)室，由加州大學(xué)為美國(guó)能源部科學(xué)辦公室管理。