強度，代表材料對不可恢復(fù)變形的抵抗力，而韌性，是材料對斷裂的抵抗能力。幾乎所有工程材料的要求都是既強又韌，然而強度和韌性就像是一對歡喜冤家，總是此消彼長，難以兼容調(diào)和。
強度-韌性關(guān)系的阿什比圖（Ashby plot）以及增韌機制。圖片來源：Nat. Mater. [1]高熵合金（high-entropy alloy, HEA）作為一類新型金屬材料，在冶金界引起了越來越多的關(guān)注。傳統(tǒng)合金材料一般只含有一種元素作為主要成分，比如鋼中的鐵元素，而其他元素較少；高熵合金中每種組成元素含量相當(dāng)，材料性能也與多種元素的存在相關(guān)。早在2014年，美國勞倫斯伯克利國家實驗室（LBL）的Robert O. Ritchie團隊就制備出單相面心立方結(jié)構(gòu)的五元高熵合金 CrMnFeCoNi [2]。該材料表現(xiàn)出優(yōu)異的抗損傷能力，抗拉強度超過 1 GPa，斷裂韌性超過 200 MPa•m1/2，而且更有意思的是，這種高熵合金的強度和韌性在低溫下（液氮溫度，約77 K）甚至表現(xiàn)的更好。
CrMnFeCoNi高熵合金的結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能。圖片來源：Science [2]在這種五元高熵合金的基礎(chǔ)之上，近日Robert O. Ritchie團隊又在Science 雜志發(fā)表論文，報道了一種由鉻、鈷和鎳（CrCoNi）組成的三元高熵合金，這種金屬材料不僅具有極高的延展性和強度，其低溫（20 K）斷裂韌性更打破了迄今為止的記錄。機理研究表明，三元高熵合金的低溫斷裂韌性要歸因于相變與其他微觀結(jié)構(gòu)的協(xié)同作用，防止裂紋的形成和擴展。
三種合金元素混合的可能性。圖片來源：Nat. Rev. Mater. [3]研究者首先比較了相同制備方法下，CrCoNi和之前報道的CrMnFeCoNi兩種合金的力學(xué)性能。在經(jīng)過電弧熔化、滴鑄、均化、高溫再結(jié)晶后，兩者的平均晶粒尺寸分別為~21 μm和~8 μm。單軸拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線和J阻力曲線（R曲線）顯示，兩種合金在20 K（液氦溫度）下的韌性均高于其他溫度。其中，CrMnFeCoNi的裂紋萌生斷裂韌性（KJIC）和裂紋擴展韌性（KSS）分別為262和383 MPa•m1/2，而CrCoNi的相應(yīng)值為459和544 MPa•m1/2，大大高于前者。如果對這個數(shù)值沒有概念，可以舉一個常見的例子，客機中常用的鋁基機身在相同條件下的斷裂韌性僅為 35 MPa•m1/2左右。
CrCoNi和CrMnFeCoNi高熵合金的J阻力曲線，以及斷裂韌性隨溫度的變化。圖片來源：Science兩種高熵合金都是簡單的單相固溶體，沒有太過于復(fù)雜的微觀結(jié)構(gòu)。那么，這種優(yōu)異的斷裂韌性，尤其是低溫下逐步增強的機理是什么呢？通過對20 K下高熵合金斷裂后斷口位置形貌和微觀結(jié)構(gòu)的分析，研究者發(fā)現(xiàn)，這些區(qū)域局部應(yīng)變達到60~100%，同時單相結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)閺?fù)雜相且富含缺陷的混合體，裂紋尖端附近的塑性區(qū)出現(xiàn)大量因變形誘發(fā)的孿晶。
兩種合金的斷口形貌和微觀結(jié)構(gòu)。圖片來源：Science
CrCoNi合金裂紋尖端的電子背散射衍射（EBSD）分析。圖片來源：Science研究者認為，低層錯能推動的形變模式的不同，或許是導(dǎo)致低溫斷裂韌性增強的主要原因。室溫下，CrCoNi的斷裂面也存在納米孿晶或?qū)渝e，尺寸約為幾納米，而20 K下，納米孿晶和堆疊斷層尺寸非常微小，且出現(xiàn)了典型的六方緊密堆積相（hcp），這是室溫斷裂面所沒有的。理論計算表明，hcp相比面心立方相（fcc）更穩(wěn)定，而低溫條件限制了位錯運動和孿晶生長，因此增加了孿晶和hcp相的形成。
293 K和20 K下，斷裂面附近微觀結(jié)構(gòu)。圖片來源：Science作為低溫結(jié)構(gòu)材料，CrCoNi合金是迄今為止報告的所有金屬合金中斷裂韌性最高的。這表明該類材料在低溫條件下依舊具有廣泛的應(yīng)用前景，如液態(tài)氫、液態(tài)天然氣的遠距離運輸，以及航空航天飛行器結(jié)構(gòu)材料等。
強度-韌性關(guān)系的阿什比圖。圖片來源：Science“當(dāng)你設(shè)計結(jié)構(gòu)材料時，總希望它們既有高強度又有高延展性”，論文作者Easo P. George說，我們通常只能在這些此消彼長的特性中做出“折衷選擇，但這種金屬合金同時具有這兩種特性，在低溫下不會變脆，反而變得更有韌性”。“這種材料在液氦溫度范圍（20 K）下的韌性高達500 MPa•m1/2，相比之下，最好的鋼材商業(yè)產(chǎn)品的韌性也不過約100 MPa•m1/2。‘500’，這是一個驚人的數(shù)字”，Robert O. Ritchie說，“材料的結(jié)構(gòu)決定了它的特性。CrCoNi的結(jié)構(gòu)極為簡單，然而當(dāng)它發(fā)生形變時，結(jié)構(gòu)會變得非常復(fù)雜，而這種轉(zhuǎn)變有助于解釋其非凡斷裂韌性”。 [4]
Exceptional fracture toughness of CrCoNi-based medium- and high-entropy alloys at 20 kelvinDong Liu, Qin Yu, Saurabh Kabra, Ming Jiang, Paul Forna-Kreutzer, Ruopeng Zhang, Madelyn Payne, Flynn Walsh, Bernd Gludovatz, Mark Asta, Andrew M. Minor, Easo P. George, Robert O. RitchieScience, 2022, 378, 978-983. DOI: 10.1126/science.abp8070[1] Robert O. Ritchie, The conflicts between strength and toughness. Nat. Mater. 2011, 10, 817-822. DOI: 10.1038/nmat3115[2] B. Gludovatz, et al. A fracture-resistant high-entropy alloy for cryogenic applications. Science, 2014, 345, 1153-1158. DOI: 10.1126/science.1254581[3] E. P. George, et al., High-entropy alloys. Nat. Rev. Mater. 2019, 4, 515-534. DOI: 10.1038/s41578-019-0121-4[4] Say Hello to the Toughest Material on Earthhttps://newscenter.lbl.gov/2022/12/08/say-hello-to-the-toughest-material-on-earth/
