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韌的材料

大約十年前，Ritchie 和 George 開始試驗 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 開爾文，或 -321 F），并發(fā)現(xiàn)了令人印象深刻的強度和韌性。他們立即想繼續(xù)他們的工作，在液氦溫度范圍內(nèi)進行測試，但要找到能夠在如此寒冷的環(huán)境中對樣品進行壓力測試的設(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)驗的團隊成員 原子水平花了接下來的 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，稱為晶胞，構(gòu)成更大的結(jié)構(gòu)，稱為晶格。材料的強度和韌性，或缺乏強度和韌性，來自晶格的物理特性。沒有完美的晶體，因此材料中的晶胞不可避免地包含“缺陷”，一個突出的例子是位錯——未變形晶格與變形晶格相遇的邊界。當對材料施加力時——例如，想一想彎曲金屬勺子——形狀的變化是通過位錯在晶格中的移動來實現(xiàn)的。位錯越容易移動，材料越軟。但是如果位錯的運動被晶格不規(guī)則形式的障礙物阻擋，那么就需要更多的力來移動位錯內(nèi)的原子，并且材料變得更堅固。另一方面，障礙物通常會使材料更脆——容易開裂。

(a) 材料通過電弧熔煉、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、拉伸試驗和斷裂韌性試驗的樣品。(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、喬治和他們在伯克利實驗室、布里斯托大學(xué)、盧瑟福阿普爾頓實驗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。（為了測量強度和延展性，原始金屬試樣被拉伸直至斷裂，而對于斷裂韌性測試，在拉伸之前有意將尖銳的裂紋引入樣品中，并且應(yīng)力增長所需的應(yīng)力 然后測量裂縫。）

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對材料施加力時以特定順序起作用的三重位錯障礙。首先，移動位錯導(dǎo)致晶體區(qū)域從平行平面上的其他區(qū)域滑開。這種運動取代了單元格層，因此它們的圖案不再在垂直于滑動運動的方向上匹配，從而產(chǎn)生了一種障礙。金屬上的進一步力會產(chǎn)生一種稱為納米孿生的現(xiàn)象，其中晶格區(qū)域形成鏡像對稱，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，但也不斷遇到來自障礙物的新阻力，遠遠超過大多數(shù)材料從應(yīng)變中斷裂的程度。“所以當你拉動它時，第一個機制啟動，然后第二個啟動，然后第三個啟動，然后是第四個，”Ritchie 解釋道?！艾F(xiàn)在，很多人會說，好吧，我們已經(jīng)在普通材料中看到了納米孿晶，我們在普通材料中看到了滑移。確實如此。這并沒有什么新鮮事，但事實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。”

該團隊的新發(fā)現(xiàn)，連同最近關(guān)于 HEA 的其他工作，可能會迫使材料科學(xué)界重新考慮長期以來關(guān)于物理特性如何產(chǎn)生性能的觀念。“這很有趣，因為冶金學(xué)家說材料的結(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單的——它只是顆粒，”Ritchie 說?！叭欢斈闶顾冃螘r，結(jié)構(gòu)變得非常復(fù)雜，這種轉(zhuǎn)變有助于解釋它對斷裂的特殊抵抗力，”共同作者，伯克利實驗室分子鑄造廠國家電子顯微鏡設(shè)施中心主任 Andrew Minor 補充道， 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 幾個原子——事實證明，這大約是變形 NiCoCr 結(jié)構(gòu)中缺陷的大小?！?/span>

CrMnFeCoNi 合金也在 20 開爾文下進行了測試，表現(xiàn)令人印象深刻，但沒有達到與更簡單的 CrCoNi 合金相同的韌性。

勞倫斯伯克利國家實驗室及其科學(xué)家成立于 1931 年，堅信最大的科學(xué)挑戰(zhàn)最好由團隊來解決，已獲得 16 項諾貝爾獎。今天，伯克利實驗室的研究人員開發(fā)可持續(xù)能源和環(huán)境解決方案，創(chuàng)造有用的新材料，推進計算前沿，探索生命、物質(zhì)和宇宙的奧秘。來自世界各地的科學(xué)家依靠實驗室的設(shè)施進行他們自己的發(fā)現(xiàn)科學(xué)。伯克利實驗室是一個多項目國家實驗室，由加州大學(xué)為美國能源部科學(xué)辦公室管理。