特别说明：本文由学研汇技术中心原创撰写，旨在分享相关科研知识。因学识有限，难免有所疏漏和错误，请读者批判性阅读，也恳请大方之家批评指正。研究背景
1912年，英国远洋客轮撞上冰山沉没，泰坦尼克号发生了灾难性的事故。低温下船体钢的抗断裂能力不足导致了船只的灭亡。自此，选择具有优异低温韧性的材料成为低温承重应用的重要先决条件。中熵和高熵合金是由三种或三种以上等量成分组成的金属材料。那些以铬、钴和镍为主要元素的合金表现出很高的耐损伤性，这引发了对铬钴镍基合金的研究，这些合金可以承受极端环境，如非常低的温度。
关键问题
尽管对断裂力学的理解有所进步，但大多数金属材料的韧性会随着温度的降低而降低，尤其是在液氦的温度范围内。2、设计具有低温韧性的合金需明确断裂特性和材料韧性机制具有面心立方(fcc)结构的金属通常在低温下表现出优异的韧性但，当温度达到液氮环境的温度时，大多数fcc合金的抗破裂性降低。此外，面心立方合金的是通过降低堆垛层错能来实现的，由于应变，这种不规则性加大了能量成本。3、尚未进行低温下对中熵或高熵合金的全电阻曲线测试目前，仍缺少在接近液氦温度的低温下对中熵或高熵合金进行定义裂纹起始和裂纹扩展断裂韧性的全电阻曲线测量。
新思路
有鉴于此，美国劳伦斯伯克利国家实验室Robert O. Ritchie等人鉴于CrCoNi基中熵和高熵合金在低温下出色的损伤容限，检查了等原子CrCoNi和CrMnFeCoNi合金在20K下的断裂韧性值。发现CrMnFeCoNi和CrCoNi的裂纹萌生断裂韧性特别高，CrCoNi表现出超过540 MPa·m的裂纹扩展韧性。20 K下的裂尖变形结构涉及堆垛层错、细小纳米孪晶和转化ε马氏体的成核和受限生长，具有能够促进位错的阻止和传输以产生强度和延展性的共格界面。合金通过变形机制、位错滑移、堆垛层错形成、纳米孪晶和相变的渐进协同作用来提高抗断裂性，这些机制协同作用以延长应变硬化，同时提高强度和延展性，从而产生优异的韧性。作者研究了CrCoNi和CrMnFeCoNi合金在低温下的机械性能以及断裂后的结构，解析了塑性变形机制和缺陷行为，获得了有记录以来最高的韧性。作者着眼于合金塑性变形的协同缺陷行为，通过合金中微观结构特征的大小和分布，认为由低堆垛层错能引起的20 K变形模式的这种变化是突破性断裂韧性的主要原因。作者解析了应变硬化的程度随着温度降低而增加归因于较低堆垛层错能量、纳米孪晶化以及变形诱导的向hcp相的转变。1、开发了低温下高韧性的高熵合金，报道了有史以来最大的断裂韧性值发现CrMnFeCoNi和CrCoNi的裂纹起始断裂韧性分别为262和 459MPa·m1/2，CrCoNi在2.25毫米的稳定开裂后，显示出超过540 MPa·m1/2的裂纹扩展韧性。探索了CrCoNi基合金在20 K下的韧性机制，测量并观察了裂纹萌生、变形和断裂等行为，证实低堆垛层错能促进高应力下变形机制的变化是断裂韧性提高的原因。
技术细节
通过在实验室环境中进行单轴拉伸试验和非线性弹性J型断裂韧性试验，研究了CrCoNi和CrMnFeCoNi合金在低温(~20 K)下的机械性能。还进行了原位中子衍射测量和大量的断裂后电子背散射衍射(EBSD)分析、断口分析，特别是透射电子显微镜，以详细检查显著的塑性变形机制和缺陷行为，这些机制和行为代表了其优异的抗断裂性的基本基础，发现与大多数金属材料不同，抗断裂性随着温度的降低而逐渐增加。两种合金都显示出显著上升的R曲线，该曲线随着温度的降低而逐渐增加，尤其是CrCoNi。在20 K时表现出极高的断裂韧性值；CrMnFeCoNi合金的KJIc和Kss值分别为262和383 MPa·m1/2，而CrCoNi的相应值为459和544 MPa·m1/2，是有记录以来最高的韧性之一。20 K下的断裂面没有显示出脆性断裂特征的迹象，并通过微孔聚结表现出100%的延性破坏。图 CrCoNi和CrMnFeCoNi合金的J-R曲线和断裂韧性值为了解析合金异常抗断裂性的来源，以及为什么它在低温下会如此渐进地增强，着眼于造成这些合金塑性变形的协同缺陷行为，主要使用CrCoNi合金来说明20 K与室温下的原型行为。对塑性区内的严重变形区域进行了断裂后EBSD分析和HRTEM,这些区域直接与裂纹尖端相邻，局部应变很容易达到60-100%的数量级。尽管微观结构开始时是相当简单的单相固溶体，但在20 K下的变形将该结构转变成丰富而复杂的相和缺陷结构的混合物。20 K下的样品主要的平面特征是充满堆垛层错的变形带，与室温下形成的纳米孪晶相比，CrCoNi在20 K下显示出纳米孪晶化趋势降低，并且纳米孪晶尺寸更小。通过合金中微观结构特征的大小和分布，认为由低堆垛层错能引起的20 K变形模式的这种变化是突破性断裂韧性的主要原因。图 293和20 K时CrCoNi合金靠近断裂面的变形微观结构应变硬化的程度随着温度降低而增加主要跟以下因素相关:(1)较低堆垛层错能量，它通过增加Shockley分力之间的间距来阻碍交叉滑移；（2）促进纳米孪晶化(也与较低的堆垛层错能有关)；和(3)变形诱导的向hcp相的转变的开始(但仅限于有限的程度，因为太多的hcp会使材料变脆)。基于以上原则，在这里给出的基于CrCoNi的MEAs和HEAs的结果表明，在非常低的温度(20 K)下，断裂韧性的单调改善是可能的。这种情况很少发生，尤其是在bcc和hcp合金中，当温度降低时，它们会经历韧脆转变。甚至许多fcc合金在临界温度以下显示出韧性的显著下降。作为低温结构材料，等原子、单相fcc CrCoNi基中熵和高熵合金，特别是CrCoNi合金，在迄今为止报道的所有金属合金中，具有一些最令人印象深刻的机械性能。
展望
总之，本工作认识到要想同时提高强度、延性和韧性，需要按正确的顺序激活多个应变硬化机制。这一基本观点适用于整个低温范围，HEAs和MEAs满足这一观点的独特材料，因为它们具有多个成分"刻度盘"，可以单独调整每个独立的机制，而不会对其他机制产生不利影响。本工作提出的合金设计原则具有广泛的温度使用应，有望实现在液态氢运输、深空承重材料、深海运输材料等重要领域的广泛应用。PENG ZHANG, et al. Getting tougher in the ultracold. Science, 2022, 378(6623): 947-948.DOI: 10.1126/science.adf2205.https://www.science.org/doi/10.1126/science.adf2205DONG LIU, et al. Exceptional fracture toughness of CrCoNi-based medium- and high-entropy alloys at 20 kelvin. Science, 2022, 378(6623): 978-983.DOI: 10.1126/science.abp8070.https://www.science.org/doi/10.1126/science.abp8070
