“這個實驗真的可以完成嗎？我得去現場看看！”

美國工程院和英國皇家工程院院士、英國皇家科學院院士、美國勞倫斯伯克利國家實驗室教授Robert O. Ritchie為何如此激動？

1912年泰坦尼克號撞上冰山沉沒時，由于船舶鋼材在低溫下的抗斷裂性不足，使得船舶很快消亡。此后，選擇具有優異低溫韌性的材料成為低溫承重應用的重要先決條件。盡管在理解斷裂力學方面取得了進展，但大多數金屬材料隨著溫度的降低而顯示出韌性降低，特別是在液氦溫度（-269°C; 4.15 K）領域。

因此，在低溫下尋找堅韌的合金仍然是一個挑戰。高熵合金（HEA）在冶金界引起了越來越多的關注，作為一類金屬材料，其性能來自多種主元素的存在，而不是像大多數傳統金屬合金那樣來自單一的主要成分（例如，鋼中的鐵），該領域已經發展到包括等原子和非等原子合金，單相固溶體和多相成分復雜合金，目標是找到與傳統合金不同的性能組合。

原來是有人設計出了一項他們一直想做卻沒能做的實驗——在零下253攝氏度（20開爾文）的低溫環境中，揭示CrCoNi基中熵和高熵合金具的斷裂韌性，并展示合金裂紋的擴展和斷裂全過程。

提出實驗方案并主導完成這一實驗研究的，是英國布里斯托爾大學物理學院年輕的副教授劉棟。12月2日，完整的研究成果在Science發表，劉棟是論文的第一作者，Robert O. Ritchie是論文的通訊作者。

中國科學院金屬研究所研究員張鵬和張哲峰受Science邀請，為這篇論文撰寫了評述文章《在嚴寒中變得堅強》（Getting tougher in the ultracold）。在閱讀這篇論文前，張哲峰非常好奇：“研究人員是如何設計實驗的思路，特別是怎么想到這個合金成分韌性會比其他成分高呢？”

“這項研究十分了不起，作者應該是一位女中豪杰！” 張哲峰在采訪時候透露，“自己并不認識劉棟，她能夠完成這項工作很不容易，這需要有材料韌化理論和機制支撐，不然都是徒勞！”

此前沒有其他團隊可以完成實驗

為什么Robert O. Ritchie一定要去現場看一看實驗設計呢？

“因為他與合金材料的提供者、美國橡樹嶺國家實驗室和美國田納西大學研究員EasoP.George，曾被其他國家的一些實驗室團隊口頭承諾過很多次。如今，他們對這個實驗完成的可能性已經‘心灰意冷’。”劉棟笑著告訴。

RobertO.Ritchie和EasoP.George研究高熵合金已有多年，并且發現高熵合金在77開爾文低溫下相對于常溫有更好的斷裂性能，因此他們推斷在更低溫度下材料的斷裂韌性有可能會更好。

劉棟介紹：“我們開展實驗前也有團隊曾經嘗試過，但大多以失敗而告終，甚至有些實驗不了了之。所謂希望越大失望越大，這也是Robert O. Ritchie一定堅持要到現場的原因。”

“這個實驗我們做了兩年多，也經歷過挫折和挑戰，但我們沒有放棄，而是選擇堅持到底。” 劉棟團隊不僅最終完成了實驗，還發現了精彩的斷裂過程。

總而言之，為了同時增加強度、延展性和韌性，需要以完全正確的順序激活多種應變硬化機制。這一基本觀點適用于整個低溫范圍，hea和mea具有獨特的條件來實現這一實際應用，因為它們擁有多個成分“表盤”，需要分別調節每個單獨的機制，而不會對其他機制產生不利影響——在只包含一或兩個主要元素的傳統合金中，這可能是極其困難的。

“我們的實驗結果顯示，CrCoNi合金的裂紋擴展韌性值是有史以來最高的。”劉棟說，“這個材料將來會在極端寒冷的環境中有非常大的應用價值。”

劉棟博士畢業照（受訪者供圖）

不要被一個專業禁錮

“如果沒有相關的力學、材料和物理知識，要完成這么高難度的實驗，并完成對材料機理的解讀，是非常困難的。”

12月1日，在接受記者采訪前，劉棟剛給布里斯托爾大學物理學院大四學生上完一節應用材料物理學課。她稱，如果學生能具備物理、材料以及力學基礎，他們將擁有非常強大的知識組合，有利于進一步開展科研工作。

劉棟自己就是一位跨界學者。

基于這些研究理念，劉棟向英國1851皇家展覽委員會提交了項目資金申請，免試入選并成為了皇家展覽委員會布魯諾研究員，前往牛津大學開展更進一步的研究。 

2016年，她申請到英國工程與物理科學研究基金會研究員項目，成為項目獨立負責人。

2018年，劉棟成功申請到布里斯托大學物理學院永久教職。現在她已經靠自己獲得的項目經費建立起了獨立的研究團隊，帶領一支十多人的團隊專門研究各種復雜材料在極端工況下的微觀結構和力學行為。

2022年初，劉棟開始擔任布里斯托大學物理學院材料與器件方向的負責人，并在2022年夏天成功晉升到Reader/Associate Professor職位。

“從土木工程到機械工程，再到物理學，橫跨了三個專業，因為我不想讓自己的視野局限在一個領域。”劉棟說，“我喜歡學習新的知識，也喜歡探索新領域。”

科學沒有邊界，學習永無止境。

劉棟表示，如今自己帶領的團隊有學化學的、學物理的、學材料的，不同專業的知識可以讓他們不受單一專業的禁錮，在探索新事物過程中找到更好的解決方案。

實際上，中熵和高熵合金是具有三種或更多等量的成分的金屬材料類別。那些以Cr，Co和Ni作為主要元素設計的合金顯示出很高的抗損壞性，這引發了對能夠承受極端環境（例如極低溫度）的CrCoNi基合金的尋找。但是，設計具有低溫韌性的合金源于了解裂紋的擴展（斷裂性能）和材料抗斷裂性的基礎機制，即其韌性。例如，具有面心立方（fcc）結構的金屬通常在低溫下表現出優異的韌性。

基于CrCoNi的HEAs表現出多種變形途徑：位錯介導的塑性、孿晶誘導的塑性，以及在特定合金中相變誘導的塑性(TRIP)。在三元CrCoNi合金和非等原子HEAs中，由于其明顯較低的堆垛層錯能，已經報道了涉及fcc向六方密排(hcp)轉變的TRIP效應；然而，到目前為止，還沒有明確的證據表明在經典等原子CrMnFeCoNi Cantor HEA中存在這樣的變形誘導(在環境壓力下)相變。

在此，研究者提供的分析證據表明，在非常高的應變率加載下，Cantor合金中可以觀察到TRIP效應；研究表明，在高應變和/或提高應變率時，一種額外的、但更罕見的變形機制出現了，即固態非晶化，這似乎是極端加載條件下結構轉變的一個特征。層錯和孿晶，沿{111}平面的協調傳播產生高變形區，這些高變形區可重組為六邊形包體；當這些區域的缺陷密度達到臨界水平時，它們會產生非晶材料島。這些區域具有出色的機械性能，提供額外的強化和/或增韌機制，以提高這些合金承受極端載荷的能力。

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

R曲線顯示(a) CrMnFeCoNi HEA和(B) CrCoNi MEA在室溫(RT， ~293 K)到20 K之間j積分作為裂紋擴展函數Δa的變化。根據r曲線反向計算的相應斷裂韌性值見(C) CrMnFeCoNi和(D) CrCoNi，其中KJIc表示裂紋萌生韌性，Kss表示裂紋擴展韌性，定義為有效裂紋擴展的ASTM E1820最大極限，其中Δa = 2.25 mm。注意兩種合金在20 K下的韌性是如何高于其他溫度下的。CrCoNi合金的韌性值被認為是有史以來報告的最高韌性之一。

圖2  CrCoNi基合金的顯微組織和斷口形貌。

EBSD掃描顯示(A) CrMnFeCoNi和(B) CrCoNi合金的等軸單相組織。與IPF著色相關的樣品方向是與EBSD掃描平面法線方向。這兩種合金的斷裂都是由微孔聚結引起的。CrCoNi中這種韌性斷裂的例子顯示在(C) 293 K和(D) 20 K。

圖3  EBSD圖 

圖像質量(IQ)和(B)反極點圖(IPF)圖，顯示了CrCoNi合金在20 K下的斷裂路徑和伴隨的變形行為。對于從左向右延伸的斷裂，主要的平面應變截面(取于緊拉試樣的中厚處)顯示了直接位于裂紋尖端(塑性區內)的嚴重變形區域的微觀結構。與IPF著色相關的樣品方向是與EBSD掃描平面法線方向。

圖4  293和20 K時CrCoNi合金斷口附近形變組織的HRTEM和4D-STEM表征。

圖5  關于斷裂韌性Kc和屈服強度σy的Ashby圖，適用于廣泛的材料類別。

值得注意的是，CrCoNi基中高熵合金的斷裂韌性，這似乎是有記錄以來最高的。(圖中包含的除CrCoNi基合金外的其他材料的韌性結果是在環境溫度下測量的。)PC, PC(聚碳酸酯)塑料制成的;聚乙烯、聚乙烯;PET，聚對苯二甲酸乙二醇酯;聚丙烯、聚丙烯;PS,聚苯乙烯;聚四氟乙烯,聚四氟乙烯。

總而言之，為了同時增加強度、延展性和韌性，需要以完全正確的順序激活多種應變硬化機制。這一基本觀點適用于整個低溫范圍，hea和mea具有獨特的條件來實現這一實際應用，因為它們擁有多個成分“表盤”，需要分別調節每個單獨的機制，而不會對其他機制產生不利影響——在只包含一或兩個主要元素的傳統合金中，這可能是極其困難的。

相關論文信息：

https://www.science.org/doi/10.1126/science.abp8070

https://www.science.org/doi/10.1126/science.adf2205