鉻鈷鎳合金成迄今最堅韌材料 有望在低溫應用領域找到用武之地
【化工儀器網 項目成果】世界由物質構成，材料就是人們用來制成各種機器、器件、結構等具有某種特性的物質實體。材料是人類一切生產和生活的物質基礎，歷來是生產力的標志，對材料的認識和利用的能力，決定社會形態和人們的生活質量。新材料則是戰略新興產業發展的基石。
由鉻(Cr)、鈷(Co)和鎳(Ni)制成的金屬合金(CrCoNi)是一類被稱為高熵合金的金屬子集。目前使用的所有合金都含有高比例的一種元素，而添加的其他元素較少，但HEAs是由每種組成元素的等量混合制成的。這些平衡的原子配方似乎賦予了這些材料中的一些在受力時具有極高的強度和延展性的組合，這兩者共同構成了所謂的“韌性”。
自從高熵合金首次被開發以來，其始終是一個熱門的研究領域，然而直至最近，能夠將這些材料在極限測試中推向極限所需的技術才得以實現。近日，美英科學家在近期出版的《科學》雜志上刊發論文稱，他們在零下253.15℃附近，研究由鉻、鈷和鎳組成的合金CrCoNi時，測得了迄今最高的堅韌度。這種金屬材料不僅具有極強的延展性，同時能夠抵抗永久變形，而且隨著溫度的降低，其強度和延展性會提高。這與現有的大多數材料相反。
在實驗過程中，研究人員們將材料冷卻到液氮溫度(約77開氏度或-196.15℃)，發現其具有驚人的強度和韌性。隨后，他們借助中子衍射、電子背散射衍射和透射電子顯微鏡等技術，在液氦溫度附近對其開展測試。他們發現，CrCoNi在液氦溫度(約20開氏度，-253.15℃)附近的斷裂韌性高達500MPa·m^1/2(兆帕乘以米的平方根)，相較之下，硅、客機上的鋁機身、一些最好的鋼的韌性分別為1、35、100MPa·m^1/2。在相同溫度下對CrMnFeCoNi合金進行的測試表明，其韌性比結構更簡單的CrCoNi合金略遜一籌。
同時，變形機制、位錯滑移、層錯形成、納米孿晶和相變的漸進協同作用可延長CrCoNi的應變硬化，同時提高其強度和延展性，從而產生優異的韌性。該項研究發現使得人們對CrCoNi合金的內部工作機理有了更好的了解，它和其他高熵合金離應用于特殊領域又近了一步。并且將使材料科學界重新思考有關物理結構與性能之間關系。
盡管CrCoNi的制造成本很高，但有望在寒冷的深空環境等低溫應用領域找到用武之地。鑒于電池行業飛速發展導致全球鈷和鎳短缺，研究團隊還將繼續研究用更豐富且更便宜的元素制成具有類似特性的合金。
(資料來源：科技日報)
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