尋找在非常低的溫度下具有良好斷裂性能的結(jié)構(gòu)材料是一項挑戰(zhàn)，但對于太空探索等領(lǐng)域來說非常重要。日前，來自英國布里斯托大學和美國勞倫斯伯克利國家實驗室等單位的研究人員，發(fā)現(xiàn)了一種中/高熵鉻鈷鎳合金，在20開爾文時具有極高的斷裂韌性！這種行為是由意外的相變引起的，當與其他微觀結(jié)構(gòu)結(jié)合時，相變阻止了裂紋的形成和擴展。這種合金的斷裂韌性使其在一系列低溫應用中具有潛在的用途。相關(guān)成果以“Exceptional fracture toughness of CrCoNi-based medium- and high-entropy alloys at 20 kelvin”發(fā)表在最新《Science》上。

CrCoNi基中熵和高熵合金表現(xiàn)出優(yōu)異的損傷容限，尤其是在低溫下。在本研究中，作者檢測了等原子CrCoNi和CrMnFeCoNi合金在20開爾文（K）下的斷裂韌性值。研究發(fā)現(xiàn)，CrMnFeCoNi和CrCoNi的裂紋萌生斷裂韌性分別為262和459（MPa·m½）；在2.25毫米的穩(wěn)定開裂后，CrCoNi顯示出超過540 MPa·m½的裂紋擴展韌性。

20K下的裂紋尖端變形結(jié)構(gòu)與高溫下的裂紋尖變形結(jié)構(gòu)截然不同。它們包括堆垛層錯、細納米孿晶和轉(zhuǎn)變的ε馬氏體的成核和受限生長，具有可促進位錯的阻止和傳輸以產(chǎn)生強度和延展性的連貫界面。

作者認為，這些合金通過變形機制、位錯滑移、層錯形成、納米孿晶和相變的漸進協(xié)同作用，發(fā)展了抗斷裂能力，這些協(xié)同作用可延長應變硬化，同時提高強度和延展性，從而產(chǎn)生優(yōu)異的韌性。

圖 1.CrCoNi和CrMnFeCoNi合金的J-R曲線和斷裂韌性值隨溫度的變化

圖5.斷裂韌性統(tǒng)計對比。