強度，代表材料對不可恢復變形的抵抗力，而韌性，是材料對斷裂的抵抗能力。幾乎所有工程材料的要求都是既強又韌，然而強度和韌性就像是一對歡喜冤家，總是此消彼長，難以兼容調和。
強度-韌性關系的阿什比圖（Ashby plot）以及增韌機制。圖片來源：Nat. Mater. [1]高熵合金（high-entropy alloy, HEA）作為一類新型金屬材料，在冶金界引起了越來越多的關注。傳統合金材料一般只含有一種元素作為主要成分，比如鋼中的鐵元素，而其他元素較少；高熵合金中每種組成元素含量相當，材料性能也與多種元素的存在相關。早在2014年，美國勞倫斯伯克利國家實驗室（LBL）的Robert O. Ritchie團隊就制備出單相面心立方結構的五元高熵合金 CrMnFeCoNi [2]。該材料表現出優異的抗損傷能力，抗拉強度超過 1 GPa，斷裂韌性超過 200 MPa•m1/2，而且更有意思的是，這種高熵合金的強度和韌性在低溫下（液氮溫度，約77 K）甚至表現的更好。
CrMnFeCoNi高熵合金的結構和力學性能。圖片來源：Science [2]在這種五元高熵合金的基礎之上，近日Robert O. Ritchie團隊又在Science 雜志發表論文，報道了一種由鉻、鈷和鎳（CrCoNi）組成的三元高熵合金，這種金屬材料不僅具有極高的延展性和強度，其低溫（20 K）斷裂韌性更打破了迄今為止的記錄。機理研究表明，三元高熵合金的低溫斷裂韌性要歸因于相變與其他微觀結構的協同作用，防止裂紋的形成和擴展。
三種合金元素混合的可能性。圖片來源：Nat. Rev. Mater. [3]研究者首先比較了相同制備方法下，CrCoNi和之前報道的CrMnFeCoNi兩種合金的力學性能。在經過電弧熔化、滴鑄、均化、高溫再結晶后，兩者的平均晶粒尺寸分別為~21 μm和~8 μm。單軸拉伸應力-應變曲線和J阻力曲線（R曲線）顯示，兩種合金在20 K（液氦溫度）下的韌性均高于其他溫度。其中，CrMnFeCoNi的裂紋萌生斷裂韌性（KJIC）和裂紋擴展韌性（KSS）分別為262和383 MPa•m1/2，而CrCoNi的相應值為459和544 MPa•m1/2，大大高于前者。如果對這個數值沒有概念，可以舉一個常見的例子，客機中常用的鋁基機身在相同條件下的斷裂韌性僅為 35 MPa•m1/2左右。
CrCoNi和CrMnFeCoNi高熵合金的J阻力曲線，以及斷裂韌性隨溫度的變化。圖片來源：Science兩種高熵合金都是簡單的單相固溶體，沒有太過于復雜的微觀結構。那么，這種優異的斷裂韌性，尤其是低溫下逐步增強的機理是什么呢？通過對20 K下高熵合金斷裂后斷口位置形貌和微觀結構的分析，研究者發現，這些區域局部應變達到60~100%，同時單相結構轉變為復雜相且富含缺陷的混合體，裂紋尖端附近的塑性區出現大量因變形誘發的孿晶。
兩種合金的斷口形貌和微觀結構。圖片來源：Science
CrCoNi合金裂紋尖端的電子背散射衍射（EBSD）分析。圖片來源：Science研究者認為，低層錯能推動的形變模式的不同，或許是導致低溫斷裂韌性增強的主要原因。室溫下，CrCoNi的斷裂面也存在納米孿晶或層錯，尺寸約為幾納米，而20 K下，納米孿晶和堆疊斷層尺寸非常微小，且出現了典型的六方緊密堆積相（hcp），這是室溫斷裂面所沒有的。理論計算表明，hcp相比面心立方相（fcc）更穩定，而低溫條件限制了位錯運動和孿晶生長，因此增加了孿晶和hcp相的形成。
293 K和20 K下，斷裂面附近微觀結構。圖片來源：Science作為低溫結構材料，CrCoNi合金是迄今為止報告的所有金屬合金中斷裂韌性最高的。這表明該類材料在低溫條件下依舊具有廣泛的應用前景，如液態氫、液態天然氣的遠距離運輸，以及航空航天飛行器結構材料等。
強度-韌性關系的阿什比圖。圖片來源：Science“當你設計結構材料時，總希望它們既有高強度又有高延展性”，論文作者Easo P. George說，我們通常只能在這些此消彼長的特性中做出“折衷選擇，但這種金屬合金同時具有這兩種特性，在低溫下不會變脆，反而變得更有韌性”。“這種材料在液氦溫度范圍（20 K）下的韌性高達500 MPa•m1/2，相比之下，最好的鋼材商業產品的韌性也不過約100 MPa•m1/2。‘500’，這是一個驚人的數字”，Robert O. Ritchie說，“材料的結構決定了它的特性。CrCoNi的結構極為簡單，然而當它發生形變時，結構會變得非常復雜，而這種轉變有助于解釋其非凡斷裂韌性”。 [4]
Exceptional fracture toughness of CrCoNi-based medium- and high-entropy alloys at 20 kelvinDong Liu, Qin Yu, Saurabh Kabra, Ming Jiang, Paul Forna-Kreutzer, Ruopeng Zhang, Madelyn Payne, Flynn Walsh, Bernd Gludovatz, Mark Asta, Andrew M. Minor, Easo P. George, Robert O. RitchieScience, 2022, 378, 978-983. DOI: 10.1126/science.abp8070[1] Robert O. Ritchie, The conflicts between strength and toughness. Nat. Mater. 2011, 10, 817-822. DOI: 10.1038/nmat3115[2] B. Gludovatz, et al. A fracture-resistant high-entropy alloy for cryogenic applications. Science, 2014, 345, 1153-1158. DOI: 10.1126/science.1254581[3] E. P. George, et al., High-entropy alloys. Nat. Rev. Mater. 2019, 4, 515-534. DOI: 10.1038/s41578-019-0121-4[4] Say Hello to the Toughest Material on Earthhttps://newscenter.lbl.gov/2022/12/08/say-hello-to-the-toughest-material-on-earth/
