Science重磅，3D打印獲突破！具有出色的斷裂韌性CrCoNi 中熵合金和高熵合金
日前，由美國(guó)勞倫斯伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室和橡樹(shù)嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的研究人員領(lǐng)導(dǎo)，相關(guān)研究工作于 2022 年 12 月?2 日以“Exceptional fracture toughness of CrCoNi-based medium- and high-entropy alloys at 20 kelvin”為題發(fā)表在國(guó)際頂級(jí)期刊《Science》上，該發(fā)明有關(guān)具有出色的斷裂韌性CrCoNi 中熵合金和高熵合金。當(dāng)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)材料時(shí)，需要它們既要堅(jiān)固又要有延展性和抗斷裂性。?通常，這是這些屬性之間的折衷。?但這款CrCoNi 材料兼具兩者，不會(huì)在低溫下變脆，而是變得更堅(jiān)韌。
▲?顯微鏡生成的圖像顯示了在?20?開(kāi)爾文?(-424 F)?應(yīng)力測(cè)試期間?CrCoNi?合金在納米尺度上的斷裂路徑和伴隨的晶體結(jié)構(gòu)變形。?裂縫從左向右擴(kuò)展。
??橡樹(shù)嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室
有史以來(lái)最高韌性
科學(xué)家們?cè)谘芯坑摄t、鈷和鎳（ CrCoNi） 制成的金屬合金時(shí)，測(cè)出了有史以來(lái)最高的韌性。這種金屬不僅具有極強(qiáng)的延展性。在材料科學(xué)中，這意味著高度的延展性，而且非常堅(jiān)固，這意味著它可以抵抗永久變形。它的強(qiáng)度和延展性隨著溫度的降低而提高，這與現(xiàn)有的大多數(shù)其他材料背道而馳。
自從大約 20 年前首次開(kāi)發(fā) HEA 以來(lái)，HEA 一直是研究的熱門領(lǐng)域，但直到最近才出現(xiàn)在極端測(cè)試中將材料推向極限所需的技術(shù)。根據(jù)3D科學(xué)谷《（一）3D打印技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn) l 3D打印HEA高熵合金：微觀結(jié)構(gòu)和性能綜述》一文，高熵合金 (HEAs) 是一種很有前途的多組分合金，具有新穎的微觀結(jié)構(gòu)和優(yōu)異的性能的獨(dú)特組合。然而，通過(guò)傳統(tǒng)方法制造 HEA 仍然存在一定的局限性。3D打印-增材制造的 HEA 具有優(yōu)化的微觀結(jié)構(gòu)和改進(jìn)的性能，近年來(lái)增材制造 (AM) 技術(shù)在生產(chǎn) HEA 中的應(yīng)用呈顯著增長(zhǎng)趨勢(shì)。
20開(kāi)爾文（K）下的等價(jià)CrCoNi和CrMnFeCoNi合金的斷裂韌性值。發(fā)現(xiàn)CrMnFeCoNi和CrCoNi的裂紋起始斷裂韌性特別高，分別為262和459兆帕·米?（MPa·m?）；CrCoNi在2.25 mm的穩(wěn)定裂紋后顯示了超過(guò)540MPa·m?的裂紋增長(zhǎng)韌性。20K時(shí)的裂紋尖端變形結(jié)構(gòu)與更高溫度下的變形結(jié)構(gòu)截然不同。它們包括堆垛層錯(cuò)、細(xì)納米孿晶和轉(zhuǎn)變的ε馬氏體的成核和受限生長(zhǎng)，具有可促進(jìn)位錯(cuò)的阻止和傳輸以產(chǎn)生強(qiáng)度和延展性的連貫界面。他們認(rèn)為，這些合金通過(guò)變形機(jī)制、位錯(cuò)滑移、層錯(cuò)形成、納米孿晶和相變的逐步協(xié)同作用來(lái)發(fā)展抗斷裂性，這些機(jī)制協(xié)同作用延長(zhǎng)了應(yīng)變硬化，同時(shí)提高了強(qiáng)度和延展性，導(dǎo)致了優(yōu)異的韌性。
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強(qiáng)度和韌性的完美結(jié)合
盡管它們具有極高的斷裂韌性，但這些合金并沒(méi)有復(fù)雜的微觀結(jié)構(gòu)，因?yàn)樗鼈兪呛?jiǎn)單的單相固溶體。因此，一個(gè)重要問(wèn)題是這種特殊的抗斷裂性的起源，以及為什么它在低溫下會(huì)如此逐漸增強(qiáng)。
為了解決這個(gè)問(wèn)題，研究人員研究了這些合金中塑性變形的協(xié)同缺陷行為，主要使用CrCoNi合金來(lái)說(shuō)明20K與室溫下的典型行為。使用斷裂后EBSD分析和高分辨率透射電子顯微鏡（HRTEM）觀察塑性區(qū)內(nèi)的嚴(yán)重變形區(qū)域，直接與裂紋尖端相鄰，局部應(yīng)變很容易達(dá)到60-100%。雖然微觀結(jié)構(gòu)一開(kāi)始是相當(dāng)簡(jiǎn)單的單相固溶體，但在20K下的變形將結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)樨S富而復(fù)雜的相和缺陷結(jié)構(gòu)的混合物。
大約十年前，研究人員開(kāi)始試驗(yàn) CrCoNi 和另一種也含有錳和鐵的合金，即 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(kāi)爾文或負(fù) 321 華氏度），并發(fā)現(xiàn)了令人印象深刻的強(qiáng)度和韌性。研究人員繼續(xù)在液氦溫度范圍內(nèi)進(jìn)行測(cè)試，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(shí)的斷裂示例。
??伯克利實(shí)驗(yàn)室
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(qiáng)度和韌性來(lái)自晶格的物理特性。?沒(méi)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(gè)突出的例子是位錯(cuò)：未變形晶格與變形晶格相遇的邊界。?當(dāng)對(duì)材料施加力時(shí)，例如，想一想彎曲金屬勺子——形狀的變化是通過(guò)位錯(cuò)在晶格中的移動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。?位錯(cuò)越容易移動(dòng)，材料越軟。?但是如果位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)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(lái)移動(dòng)位錯(cuò)內(nèi)的原子并且材料變得更堅(jiān)固。?另一方面，障礙物通常會(huì)使材料更脆，或容易開(kāi)裂。
重新思考物理特征與性能
該研究團(tuán)隊(duì)的新發(fā)現(xiàn)，連同最近關(guān)于 HEA 的其他工作，可能會(huì)迫使材料科學(xué)界重新考慮長(zhǎng)期以來(lái)關(guān)于物理特性如何產(chǎn)生性能的觀念。因?yàn)橐苯饘W(xué)家說(shuō)材料的結(jié)構(gòu)決定了它的特性，但 NiCoCr 的結(jié)構(gòu)是能想象到的最簡(jiǎn)單的。然而，當(dāng)對(duì)其進(jìn)行變形時(shí)，結(jié)構(gòu)會(huì)變得非常復(fù)雜，而這種轉(zhuǎn)變有助于解釋其對(duì)斷裂的非凡抵抗力。
根據(jù)加州大學(xué)伯克利分校材料科學(xué)與工程教授，由于電子顯微鏡中快速電子探測(cè)器的發(fā)展，業(yè)界能夠看到這種意想不到的轉(zhuǎn)變，這使科研人員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(gè)原子。
這項(xiàng)研究得到了能源部科學(xué)辦公室的支持。低溫機(jī)械測(cè)試和中子衍射是在盧瑟福阿普爾頓實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行的。顯微鏡分析是在分子鑄造廠的國(guó)家電子顯微鏡中心進(jìn)行的，其他設(shè)施包括伯克利實(shí)驗(yàn)室的 DOE 科學(xué)辦公室。?
來(lái)源：3D打印科學(xué)谷
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