“這個(gè)實(shí)驗(yàn)真的可以完成嗎？我得去現(xiàn)場(chǎng)看看！”

美國(guó)工程院和英國(guó)皇家工程院院士、英國(guó)皇家科學(xué)院院士、美國(guó)勞倫斯伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室教授Robert O. Ritchie為何如此激動(dòng)？

1912年泰坦尼克號(hào)撞上冰山沉沒(méi)時(shí)，由于船舶鋼材在低溫下的抗斷裂性不足，使得船舶很快消亡。此后，選擇具有優(yōu)異低溫韌性的材料成為低溫承重應(yīng)用的重要先決條件。盡管在理解斷裂力學(xué)方面取得了進(jìn)展，但大多數(shù)金屬材料隨著溫度的降低而顯示出韌性降低，特別是在液氦溫度（-269°C; 4.15 K）領(lǐng)域。

因此，在低溫下尋找堅(jiān)韌的合金仍然是一個(gè)挑戰(zhàn)。高熵合金（HEA）在冶金界引起了越來(lái)越多的關(guān)注，作為一類金屬材料，其性能來(lái)自多種主元素的存在，而不是像大多數(shù)傳統(tǒng)金屬合金那樣來(lái)自單一的主要成分（例如，鋼中的鐵），該領(lǐng)域已經(jīng)發(fā)展到包括等原子和非等原子合金，單相固溶體和多相成分復(fù)雜合金，目標(biāo)是找到與傳統(tǒng)合金不同的性能組合。

原來(lái)是有人設(shè)計(jì)出了一項(xiàng)他們一直想做卻沒(méi)能做的實(shí)驗(yàn)——在零下253攝氏度（20開爾文）的低溫環(huán)境中，揭示CrCoNi基中熵和高熵合金具的斷裂韌性，并展示合金裂紋的擴(kuò)展和斷裂全過(guò)程。

提出實(shí)驗(yàn)方案并主導(dǎo)完成這一實(shí)驗(yàn)研究的，是英國(guó)布里斯托爾大學(xué)物理學(xué)院年輕的副教授劉棟。12月2日，完整的研究成果在Science發(fā)表，劉棟是論文的第一作者，Robert O. Ritchie是論文的通訊作者。

中國(guó)科學(xué)院金屬研究所研究員張鵬和張哲峰受Science邀請(qǐng)，為這篇論文撰寫了評(píng)述文章《在嚴(yán)寒中變得堅(jiān)強(qiáng)》（Getting tougher in the ultracold）。在閱讀這篇論文前，張哲峰非常好奇：“研究人員是如何設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)的思路，特別是怎么想到這個(gè)合金成分韌性會(huì)比其他成分高呢？”

“這項(xiàng)研究十分了不起，作者應(yīng)該是一位女中豪杰！” 張哲峰在采訪時(shí)候透露，“自己并不認(rèn)識(shí)劉棟，她能夠完成這項(xiàng)工作很不容易，這需要有材料韌化理論和機(jī)制支撐，不然都是徒勞！”

此前沒(méi)有其他團(tuán)隊(duì)可以完成實(shí)驗(yàn)

為什么Robert O. Ritchie一定要去現(xiàn)場(chǎng)看一看實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)呢？

“因?yàn)樗c合金材料的提供者、美國(guó)橡樹嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室和美國(guó)田納西大學(xué)研究員EasoP.George，曾被其他國(guó)家的一些實(shí)驗(yàn)室團(tuán)隊(duì)口頭承諾過(guò)很多次。如今，他們對(duì)這個(gè)實(shí)驗(yàn)完成的可能性已經(jīng)‘心灰意冷’。”劉棟笑著告訴。

RobertO.Ritchie和EasoP.George研究高熵合金已有多年，并且發(fā)現(xiàn)高熵合金在77開爾文低溫下相對(duì)于常溫有更好的斷裂性能，因此他們推斷在更低溫度下材料的斷裂韌性有可能會(huì)更好。

劉棟介紹：“我們開展實(shí)驗(yàn)前也有團(tuán)隊(duì)曾經(jīng)嘗試過(guò)，但大多以失敗而告終，甚至有些實(shí)驗(yàn)不了了之。所謂希望越大失望越大，這也是Robert O. Ritchie一定堅(jiān)持要到現(xiàn)場(chǎng)的原因。”

“這個(gè)實(shí)驗(yàn)我們做了兩年多，也經(jīng)歷過(guò)挫折和挑戰(zhàn)，但我們沒(méi)有放棄，而是選擇堅(jiān)持到底。” 劉棟團(tuán)隊(duì)不僅最終完成了實(shí)驗(yàn)，還發(fā)現(xiàn)了精彩的斷裂過(guò)程。

總而言之，為了同時(shí)增加強(qiáng)度、延展性和韌性，需要以完全正確的順序激活多種應(yīng)變硬化機(jī)制。這一基本觀點(diǎn)適用于整個(gè)低溫范圍，hea和mea具有獨(dú)特的條件來(lái)實(shí)現(xiàn)這一實(shí)際應(yīng)用，因?yàn)樗鼈儞碛卸鄠€(gè)成分“表盤”，需要分別調(diào)節(jié)每個(gè)單獨(dú)的機(jī)制，而不會(huì)對(duì)其他機(jī)制產(chǎn)生不利影響——在只包含一或兩個(gè)主要元素的傳統(tǒng)合金中，這可能是極其困難的。

“我們的實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，CrCoNi合金的裂紋擴(kuò)展韌性值是有史以來(lái)最高的。”劉棟說(shuō)，“這個(gè)材料將來(lái)會(huì)在極端寒冷的環(huán)境中有非常大的應(yīng)用價(jià)值。”

劉棟博士畢業(yè)照（受訪者供圖）

不要被一個(gè)專業(yè)禁錮

“如果沒(méi)有相關(guān)的力學(xué)、材料和物理知識(shí)，要完成這么高難度的實(shí)驗(yàn)，并完成對(duì)材料機(jī)理的解讀，是非常困難的。”

12月1日，在接受記者采訪前，劉棟剛給布里斯托爾大學(xué)物理學(xué)院大四學(xué)生上完一節(jié)應(yīng)用材料物理學(xué)課。她稱，如果學(xué)生能具備物理、材料以及力學(xué)基礎(chǔ)，他們將擁有非常強(qiáng)大的知識(shí)組合，有利于進(jìn)一步開展科研工作。

劉棟自己就是一位跨界學(xué)者。

基于這些研究理念，劉棟向英國(guó)1851皇家展覽委員會(huì)提交了項(xiàng)目資金申請(qǐng)，免試入選并成為了皇家展覽委員會(huì)布魯諾研究員，前往牛津大學(xué)開展更進(jìn)一步的研究。 

2016年，她申請(qǐng)到英國(guó)工程與物理科學(xué)研究基金會(huì)研究員項(xiàng)目，成為項(xiàng)目獨(dú)立負(fù)責(zé)人。

2018年，劉棟成功申請(qǐng)到布里斯托大學(xué)物理學(xué)院永久教職。現(xiàn)在她已經(jīng)靠自己獲得的項(xiàng)目經(jīng)費(fèi)建立起了獨(dú)立的研究團(tuán)隊(duì)，帶領(lǐng)一支十多人的團(tuán)隊(duì)專門研究各種復(fù)雜材料在極端工況下的微觀結(jié)構(gòu)和力學(xué)行為。

2022年初，劉棟開始擔(dān)任布里斯托大學(xué)物理學(xué)院材料與器件方向的負(fù)責(zé)人，并在2022年夏天成功晉升到Reader/Associate Professor職位。

“從土木工程到機(jī)械工程，再到物理學(xué)，橫跨了三個(gè)專業(yè)，因?yàn)槲也幌胱屪约旱囊曇熬窒拊谝粋€(gè)領(lǐng)域。”劉棟說(shuō)，“我喜歡學(xué)習(xí)新的知識(shí)，也喜歡探索新領(lǐng)域。”

科學(xué)沒(méi)有邊界，學(xué)習(xí)永無(wú)止境。

劉棟表示，如今自己帶領(lǐng)的團(tuán)隊(duì)有學(xué)化學(xué)的、學(xué)物理的、學(xué)材料的，不同專業(yè)的知識(shí)可以讓他們不受單一專業(yè)的禁錮，在探索新事物過(guò)程中找到更好的解決方案。

實(shí)際上，中熵和高熵合金是具有三種或更多等量的成分的金屬材料類別。那些以Cr，Co和Ni作為主要元素設(shè)計(jì)的合金顯示出很高的抗損壞性，這引發(fā)了對(duì)能夠承受極端環(huán)境（例如極低溫度）的CrCoNi基合金的尋找。但是，設(shè)計(jì)具有低溫韌性的合金源于了解裂紋的擴(kuò)展（斷裂性能）和材料抗斷裂性的基礎(chǔ)機(jī)制，即其韌性。例如，具有面心立方（fcc）結(jié)構(gòu)的金屬通常在低溫下表現(xiàn)出優(yōu)異的韌性。

基于CrCoNi的HEAs表現(xiàn)出多種變形途徑：位錯(cuò)介導(dǎo)的塑性、孿晶誘導(dǎo)的塑性，以及在特定合金中相變誘導(dǎo)的塑性(TRIP)。在三元CrCoNi合金和非等原子HEAs中，由于其明顯較低的堆垛層錯(cuò)能，已經(jīng)報(bào)道了涉及fcc向六方密排(hcp)轉(zhuǎn)變的TRIP效應(yīng)；然而，到目前為止，還沒(méi)有明確的證據(jù)表明在經(jīng)典等原子CrMnFeCoNi Cantor HEA中存在這樣的變形誘導(dǎo)(在環(huán)境壓力下)相變。

在此，研究者提供的分析證據(jù)表明，在非常高的應(yīng)變率加載下，Cantor合金中可以觀察到TRIP效應(yīng)；研究表明，在高應(yīng)變和/或提高應(yīng)變率時(shí)，一種額外的、但更罕見的變形機(jī)制出現(xiàn)了，即固態(tài)非晶化，這似乎是極端加載條件下結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變的一個(gè)特征。層錯(cuò)和孿晶，沿{111}平面的協(xié)調(diào)傳播產(chǎn)生高變形區(qū)，這些高變形區(qū)可重組為六邊形包體；當(dāng)這些區(qū)域的缺陷密度達(dá)到臨界水平時(shí)，它們會(huì)產(chǎn)生非晶材料島。這些區(qū)域具有出色的機(jī)械性能，提供額外的強(qiáng)化和/或增韌機(jī)制，以提高這些合金承受極端載荷的能力。

圖1  CrCoNi和CrMnFeCoNi合金的J-R曲線和斷裂韌性值隨溫度的變化規(guī)律。

R曲線顯示(a) CrMnFeCoNi HEA和(B) CrCoNi MEA在室溫(RT， ~293 K)到20 K之間j積分作為裂紋擴(kuò)展函數(shù)Δa的變化。根據(jù)r曲線反向計(jì)算的相應(yīng)斷裂韌性值見(C) CrMnFeCoNi和(D) CrCoNi，其中KJIc表示裂紋萌生韌性，Kss表示裂紋擴(kuò)展韌性，定義為有效裂紋擴(kuò)展的ASTM E1820最大極限，其中Δa = 2.25 mm。注意兩種合金在20 K下的韌性是如何高于其他溫度下的。CrCoNi合金的韌性值被認(rèn)為是有史以來(lái)報(bào)告的最高韌性之一。

圖2  CrCoNi基合金的顯微組織和斷口形貌。

EBSD掃描顯示(A) CrMnFeCoNi和(B) CrCoNi合金的等軸單相組織。與IPF著色相關(guān)的樣品方向是與EBSD掃描平面法線方向。這兩種合金的斷裂都是由微孔聚結(jié)引起的。CrCoNi中這種韌性斷裂的例子顯示在(C) 293 K和(D) 20 K。

圖3  EBSD圖 

圖像質(zhì)量(IQ)和(B)反極點(diǎn)圖(IPF)圖，顯示了CrCoNi合金在20 K下的斷裂路徑和伴隨的變形行為。對(duì)于從左向右延伸的斷裂，主要的平面應(yīng)變截面(取于緊拉試樣的中厚處)顯示了直接位于裂紋尖端(塑性區(qū)內(nèi))的嚴(yán)重變形區(qū)域的微觀結(jié)構(gòu)。與IPF著色相關(guān)的樣品方向是與EBSD掃描平面法線方向。

圖4  293和20 K時(shí)CrCoNi合金斷口附近形變組織的HRTEM和4D-STEM表征。

圖5  關(guān)于斷裂韌性Kc和屈服強(qiáng)度σy的Ashby圖，適用于廣泛的材料類別。

值得注意的是，CrCoNi基中高熵合金的斷裂韌性，這似乎是有記錄以來(lái)最高的。(圖中包含的除CrCoNi基合金外的其他材料的韌性結(jié)果是在環(huán)境溫度下測(cè)量的。)PC, PC(聚碳酸酯)塑料制成的;聚乙烯、聚乙烯;PET，聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯;聚丙烯、聚丙烯;PS,聚苯乙烯;聚四氟乙烯,聚四氟乙烯。

總而言之，為了同時(shí)增加強(qiáng)度、延展性和韌性，需要以完全正確的順序激活多種應(yīng)變硬化機(jī)制。這一基本觀點(diǎn)適用于整個(gè)低溫范圍，hea和mea具有獨(dú)特的條件來(lái)實(shí)現(xiàn)這一實(shí)際應(yīng)用，因?yàn)樗鼈儞碛卸鄠€(gè)成分“表盤”，需要分別調(diào)節(jié)每個(gè)單獨(dú)的機(jī)制，而不會(huì)對(duì)其他機(jī)制產(chǎn)生不利影響——在只包含一或兩個(gè)主要元素的傳統(tǒng)合金中，這可能是極其困難的。

相關(guān)論文信息：

https://www.science.org/doi/10.1126/science.abp8070

https://www.science.org/doi/10.1126/science.adf2205