地球上已知物质中艰难的发现

科学家们测量了有史以来最高的韧性,任何材料,在调查一个金属合金制成的铬、钴、镍(CrCoNi)。金属极韧性——不仅在材料科学,意味着高度的可塑性和令人印象深刻的是强大的(这意味着它抵抗永久变形),其强度和延性提高了冷。这违背大多数存在的其他材料。

领导的团队,劳伦斯伯克利国家实验室的研究人员(伯克利实验室)和橡树岭国家实验室,描述他们的破纪录的一项研究结果发表在科学于12月2日,2022年。“当你设计结构材料时,你希望他们坚强而且韧性和抗断裂,“说项目副主管Easo乔治,州长的椅子ORNL高级合金理论和发展,田纳西大学的。“通常情况下,这些属性之间的一种折衷。但是这种材料,而不是在低温下变脆,它变得困难。”

CrCoNi是一类金属的子集称为高熵合金(头脑)。今天所有的合金在使用含有高比例的较低的一个元素的附加元素补充道,但他的平等的每个组成元素。这些原子平衡菜谱似乎给一些材料具有非常高的结合强度和延性强调时,这些传感器组合在一起形成了所谓的“韧性。”他一直是一个热门的研究领域,因为他们第一次开发大约20年前,但技术要求将材料限制在极端测试直到最近才可用。

“这种材料的韧性附近液氦温度(20 k, -424华氏度)高达500帕斯卡平方根米。在同一个单位,一块硅是一种韧性,铝在客机机身大约是35岁,和一些最好的钢的韧性是100左右。所以,500年,这是一个惊人的数字,”研究联队的队长罗伯特•里奇资深教员科学家在伯克利实验室材料科学部门和蔡教授在加州大学伯克利分校的工程。

里奇和乔治开始尝试CrCoNi和另一个合金还包含锰和铁(CrMnFeCoNi)近10年前。他们创造了合金样本然后降低材料液氮温度(77 k左右,或-321 F),发现令人印象深刻的强度和韧性。他们立即想跟进他们的工作在液氦温度范围与测试,但发现设施将使压力测试样本在这么冷的环境中,和招聘团队成员所需的分析工具和经验分析材料在原子水平的未来10年。值得庆幸的是,结果是值得等待的。

两种材料的多色图像看起来像万花筒和底部排黑白显微镜图像看起来像干熔岩领域,但在纳米级。

凝视水晶

许多固体物质,包括金属,以晶体形式存在,其特征是一个重复的3 d原子模式,称为单元细胞,称为晶格组成一个更大的结构。材料的强度和韧性,或缺乏,来自晶格的物理性质。没有水晶是完美的,所以单位细胞物质将不可避免地包含“缺陷”,一个突出的例子是混乱——边界未变形的晶格满足变形晶格。当力量应用于材料——认为,例如,弯曲的金属勺子的形状变化是通过运动通过晶格混乱。的容易混乱,柔软的材料。但是如果被混乱的运动障碍点阵的形式违规行为,然后需要更多的力量移动原子内的位错,和材料变得更强。另一方面,障碍通常使材料更加脆弱,容易破裂。

使用中子衍射、电子背散射衍射和透射电子显微镜,里奇,乔治,和他们的同事在伯克利实验室,布里斯托尔大学的卢瑟福阿普尔顿实验室和新南威尔士大学的研究了CrCoNi样品的晶格结构,在室温和骨折20 k(测量强度和延性,原始金属试样直到骨折,而断裂韧性的测试中,一把锋利的裂纹是故意引入样本之前拉然后裂纹增长所需的压力测量)。

这些技术产生的图像和原子地图显示,合金的韧性是由于位错三个障碍,按照特定顺序生效时力是应用于材料。首先,水晶的混乱导致区域移动滑离平行的平面上的其他领域。这个运动取代的单位细胞层,这样他们的模式不再匹配的方向垂直于滑动运动,创造一种障碍。进一步力金属将创建一个名为nanotwinning的现象,在地区的晶格之间形成了一个镜像对称的边界。最后,如果部队继续作用于金属、能源被放入系统改变单位细胞自身的安排,与CrCoNi原子从一个面心立方晶体切换到另一个装置被称为六角密包装。

这个序列的原子相互作用确保金属不断流动,也使会议新的阻力与障碍远过去点,大多数材料快速应变。“所以你拉它,第一个机制开始然后第二个开始,然后是第三个开始,然后是第四,”里奇解释道。“现在,很多人会说,嗯,我们看到nanotwinning在常规材料,我们已经看到了在常规材料。这是真的。没什么新的,但是事实上他们都发生在这个神奇的顺序给我们这些真正巨大的属性。”

团队的新发现,与其他在他最近的工作,可能会迫使材料科学社区重新考虑长久以来的观念如何物理特性引起的性能。“这是有趣的因为冶金学家说的结构定义材料的属性,但NiCoCr的结构是最简单的你可以想象——这只是谷物,”里奇说。”然而,当变形,结构变得非常复杂,并且这种转变有助于解释其优异的抗断裂、“添加作者安德鲁•小国家中心主任电镜设施分子铸造伯克利分校的实验室和加州大学伯克利分校材料科学和工程学教授。“我们能够想象这意想不到的转变由于快速发展的电子探测器在我们的电子显微镜,这使我们能够分辨不同类型的晶体和量化的内部缺陷解决单个纳米——只有几个原子的宽度——事实证明,是关于变形缺陷的大小NiCoCr结构。”

CrMnFeCoNi合金还测试了20 k的表现令人印象深刻,但没有达到相同的简单CrCoNi合金的韧性。

建立新产品

现在的内部运作CrCoNi合金有更好的理解,它和其他他更近一步采用特殊的应用程序。尽管这些材料是昂贵的创建,乔治预见使用环境极端的情况下会破坏标准的金属合金,如在寒冷的太空深处的高温。他和他的团队在橡树岭国家实验室也在研究如何合金做的更丰富和更少的昂贵的元素——是一个全球缺钴和镍由于其电池工业的需求,可诱导产生相似的属性。

尽管进步是激动人心的,里奇警告说,实际使用可能仍然是一个方面,有充分的理由。“当你乘坐一架飞机时,你想知道什么可以节省你从40000英尺的高空落下一个机身合金,只是开发了几个月前?或者你想要的材料成熟和了解吗?这就是为什么结构材料可能需要许多年,甚至几十年,进入真正的使用。”

参考:刘D,于问,Kabra年代,等。特殊的断裂韧性CrCoNi-based中期和熵值合金在20 k。科学。2022,378 (6623):978 - 983。doi:10.1126 / science.abp8070

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