由來自美國Lawrence Berkeley 國際能源實(shí)驗(yàn)室部門(Berkeley 實(shí)驗(yàn)室)的科學(xué)家，帶領(lǐng)一隊(duì)研究人員對(duì)幾種結(jié)構(gòu)機(jī)制進(jìn)行了確認(rèn)。這些結(jié)構(gòu)機(jī)制能夠制造出新型的具有親冷性的金屬合金，并且能進(jìn)入有史以來堅(jiān)韌度最高的金屬合金之列。此合金由鉻、錳、鐵、鈷、鎳合成，因此科學(xué)家稱之為CrMnFeCoNi。
就在此時(shí)，這個(gè)極寒的冬季：由來自美國Lawrence?Berkeley?國際能源實(shí)驗(yàn)室部門(Berkeley?實(shí)驗(yàn)室)的科學(xué)家，帶領(lǐng)一隊(duì)研究人員對(duì)幾種結(jié)構(gòu)機(jī)制進(jìn)行了確認(rèn)。這些結(jié)構(gòu)機(jī)制能夠制造出新型的具有親冷性的金屬合金，并且能進(jìn)入有史以來堅(jiān)韌度最高的金屬合金之列。此合金由鉻、錳、鐵、鈷、鎳合成，因此科學(xué)家稱之為CrMnFeCoNi。在室溫下，它表現(xiàn)出極強(qiáng)的堅(jiān)韌性，同時(shí)展現(xiàn)出良好的延展性、抗拉強(qiáng)度和耐折性。與其他大多數(shù)材料不同的是，此種合金越是在寒冷的條件下就會(huì)變得越堅(jiān)韌及結(jié)實(shí)，由此可以欣然推斷此合金在低溫條件下的應(yīng)用，如，作為儲(chǔ)存液化天然氣罐子的制作材料。
為了研究其中奧秘，Berkeley?實(shí)驗(yàn)室團(tuán)隊(duì)利用透射電子顯微鏡觀察材料受到拉拽時(shí)的狀態(tài)。科學(xué)家們觀察到了合金中納米級(jí)的結(jié)構(gòu)機(jī)制，即逐個(gè)集成抗損壞傳播的現(xiàn)象。結(jié)構(gòu)之間是通過橋進(jìn)行連接，而橋是通過形成裂紋的方式來抑制破損傳播。此種裂紋橋的結(jié)構(gòu)是復(fù)合材料和陶瓷材料的中常見的增韌結(jié)構(gòu)機(jī)制，但并不常見于強(qiáng)化金屬。
此項(xiàng)發(fā)現(xiàn)將引領(lǐng)未來金屬材料的研發(fā)方向，即研發(fā)具有超級(jí)抗損特性的金屬。此項(xiàng)研究被刊登在2015年12月9日的Nature?Communications雜志中。
據(jù)Robert?Ritchie敘述，“在我們研究合金的初期就發(fā)現(xiàn)了其驚人的特性：高韌性和高強(qiáng)度，通常一種材料不會(huì)同時(shí)具備這兩種特性。”?Robert?Ritchie是Berkeley實(shí)驗(yàn)室材料科技組的科學(xué)家，負(fù)責(zé)指導(dǎo)浙江大學(xué)錢宇及數(shù)位科學(xué)家進(jìn)行此項(xiàng)目的研究。
Ritchie表示“因此在此次研究中，我們使用TEM方研究合金的納米級(jí)結(jié)構(gòu)。”
在材料科學(xué)中，韌性指的是材料抗折損的能力，強(qiáng)度指的是材料抗變形的能力。因此同時(shí)具備高韌性和高強(qiáng)度兩種特性的材料是非常罕見的，而CrMnFeCoNi又是經(jīng)過精心篩選的。?他是一顆新星，從十年前開始進(jìn)行五種或更多元素合金開發(fā)里的一顆新星。相比之下，大多數(shù)傳統(tǒng)合金只有一種主導(dǎo)元素。這些新的多組分合金叫做高熵合金，因?yàn)樗麄兪峭ㄟ^簡單的固溶方式結(jié)合而成的，因此屬于高熵混合體。
在材料研究領(lǐng)域中，這是個(gè)熱門話題并在近期成為具有研究價(jià)值的材料。2014年，Ritchie和其同事觀察到在極低的溫度下，當(dāng)CrMnFeCoNi發(fā)生變形時(shí)，產(chǎn)生了一種叫做“孿生”的現(xiàn)象，即相鄰的結(jié)晶區(qū)域形成了鏡像排列。孿生現(xiàn)象似乎是合金具有高韌性和強(qiáng)度的根源所在。但是，科學(xué)家并沒有在室溫下觀察到孿生現(xiàn)象（除了在裂紋橋結(jié)構(gòu)里），因此合金的高韌性和高強(qiáng)度并存的現(xiàn)象仍是一個(gè)謎。
Ritchie提出“如果我們?cè)谑覝叵掠^察不到孿生現(xiàn)象，那么究竟是什么結(jié)構(gòu)使其具有如此驚人的特性呢？”
為了找出其中的奧秘，科學(xué)家提出在室溫下利用透射電子顯微鏡觀察對(duì)合金進(jìn)行拉拽的實(shí)驗(yàn)。
在延時(shí)圖像中，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)了兩種有關(guān)剪應(yīng)力的現(xiàn)象：極好的延遲變位性使材料具有高強(qiáng)度，部分快速變位性增強(qiáng)了合金的延展性。同時(shí)他們觀察到了一種部分變位的現(xiàn)象，叫做“三維堆垛錯(cuò)層缺陷”，即原子的三維排列成區(qū)域變化。這些缺陷是阻礙變位的原因，就好像在形成的裂隙前堆放一些石磚，因此增加了合金的強(qiáng)度。
同時(shí)，通過捕捉到的納米級(jí)圖像，科學(xué)家們觀察到好像咀嚼滿嘴的太妃糖時(shí)，牙齒被粘到一起一樣的現(xiàn)象：在某些情況下，結(jié)構(gòu)鏈接橋受到孿生現(xiàn)象影響，產(chǎn)生了變形導(dǎo)致裂紋出現(xiàn)，從而阻礙裂紋擴(kuò)大。
“這些結(jié)構(gòu)鏈接橋在加固陶瓷和復(fù)合材料中是常見的。”?Ritchie解釋道。?“我們的研究人員發(fā)現(xiàn)，在所有納米結(jié)構(gòu)的共同作用下，賦予了合金的韌性和強(qiáng)度共存的特性。”
此研究由能源部科學(xué)辦公室資助。
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