科学家在设计结构材料时，总是会希望材料既有强度(意味着能抵抗永久变形)，又要延性和抗断裂性（意味着高度可锻性)。然而在通常情况下，通过实验研究最终得到的材料总不能兼顾这两点，而是将这些性质进行折种。

然而，通过不懈努力，科学家却似乎找到了一种"鱼和熊掌兼得"的材料。一组研究团队在研究一种由铬、钴和镍构成的金属合金CrCoNi时，测量到了有史以来材料中的最高韧性。

该团队由劳伦斯伯克利国家实验室 (Berkeley Lab) 和橡树岭国家实验室的研究人员领导，于2022 年 12 月 1 日在《科学》杂志上发表了一项描述他们破纪录发现的研究。“当你设计结构材料时，你希望他们坚固但又具有延展性和抗断裂性。“通常，它是这些特性之间的折衷。但这种材料兼具两者，并且在低温下不会变脆，而是变得更硬。”

关于高熵合金

高熵合金指的是有两种及以上金属或非金属混合熔化而成的合金。其拥有和传统金属完全不同的金属基体性质，其拥有强度大、抗腐蚀性强等优点。因为合金拥有较多的优点，因此合金在生活中存在很广泛的应用，由五种或者五种以上的金属物质组成的"高熵合金"。其在现实生活中同样属于用途十分广泛的材料。

高熵合金因具有优异的力学性能、耐腐蚀性能、热稳定性等受到广泛关注。高熵纳米材料概念于2017年提出，并在2020~2022年间扩展到二维材料领域，但目前对于二维高熵材料的研究还不充分。

与传统的合金相比，高熵合金在制造强硬度设备领域具有更大的用途。高熵合金的抗腐蚀及抗氧化特性均高于传统合金。高熵合金是航空发动机的重要材料，发动机运作产生热量这是不可避免的情况。发动机运作过程中会散发极高的热量，发动机的部件需要在极高的温度下依旧保持正常的工作。因此航空发动机的材料选择存在一定的需求。一般的金属无法承受较高温度的工作环境。

拥有最高的韧性合金材料

科学家们在研究一种由铬、钴和镍 (CrCoNi) 制成的金属合金时，测出了有史以来最高的韧性。这种金属不仅具有极强的延展性——在材料科学中意味着高度可塑性——而且非常坚固（意味着它能抵抗永久变形），它的强度和延展性随着温度的降低而提高。这与现有的大多数其他材料背道而驰.

CrCoNi 是称为高熵合金 (HEA) 的一类金属的子集。当今使用的所有合金都含有高比例的一种元素和少量添加的其他元素，但 HEA 是由每种组成元素的等量混合制成的。这些平衡的原子配方似乎赋予其中一些材料在受压时具有非常高的强度和延展性组合，它们共同构成了所谓的“韧性”。自从大约 20 年前首次开发 HEA 以来，HEA 一直是研究的热门领域，但直到最近才出现在极端测试中将材料推向极限所需的技术。

“这种材料在液氦温度（20 开尔文，-424 华氏度）附近的韧性高达 500 兆帕平方根米。在相同的单位中，一块硅的韧性是 1，客机中的铝制机身是大约 35 ，而一些最好的钢材的韧性在 100 左右。因此，500，这是一个惊人的数字，”伯克利实验室材料科学部高级教职科学家兼 Chua 工程学教授，研究联合负责人 Robert Ritchie 说在加州大学伯克利分校。

大约十年前，Ritchie 和 George 开始试验 CrCoNi 和另一种也含有锰和铁的合金 (CrMnFeCoNi)。他们制作了合金样品，然后将材料降低到液氮温度（大约 77 开尔文，或 -321 F），并发现了令人印象深刻的强度和韧性。他们立即想继续他们的工作，在液氦温度范围内进行测试，但要找到能够在如此寒冷的环境中对样品进行压力测试的设施，并招募具有分析材料中发生的情况所需的分析工具和经验的团队成员原子水平花了接下来的 10 年。值得庆幸的是，结果值得等待。

CrCoNi高熵合金让飞机不再有金属疲劳

如果你亲眼目睹了空难现场就知道飞机出现“金属疲劳”有多可怕了，例如2002年5月25日中华航空的611号航班在10640米高空突然解体，机上人员不幸全部遇难，是“金属疲劳”导致了这一起悲剧的发生。

“金属疲劳”让金属材料变形，甚至破裂，若是地面上的机器、物品和车辆出现“金属疲劳”那问题也不大，甚至不会带来太大的财产损失，大不了我们把疲劳部分更换掉就可以了，但飞机在飞行时出现“金属疲劳”却不行。

飞机出现“金属疲劳”暴露出航空材料的弱点，坚硬度不够，延展性和韧性不足，如何解决“金属疲劳”问题成为了一道难以解决的“航空难题”

而CrCoNi材料的出现有效的解决了这一难题 ，更有相关人员表示：如果把这种超强的合金材料用在飞机上，即便飞机飞报废了也不会出现“金属疲劳”这个问题。

知道CrCoNi有多坚硬吗？在同等单位下，金属硅的韧性为1MPa·m ½，铝合金的飞机材料韧性为35MPa·m ½，最好的钢合金韧性只有100MPa·m ½，但是CrCoNi合金材料韧性达到了540MPa·m ½。

所以，CrCoNi是现在铝合金飞机材料的15倍以上，是钢合金韧性的5倍以上，如果飞机使用上CrCoNi合金材料，即便飞机开到报废的年限了，应该不会再出现“金属疲劳”这个问题，那么空灾也会相对减少，这是好事一桩。

凝视水晶

许多固体物质，包括金属，都以结晶形式存在，其特征是重复的 3D 原子模式，称为晶胞，构成更大的结构，称为晶格。材料的强度和韧性，或缺乏强度和韧性，来自晶格的物理特性。没有晶体是完美的，因此材料中的晶胞不可避免地包含“缺陷”，一个突出的例子是位错——未变形晶格与变形晶格相遇的边界。当对材料施加力时——例如，想一想弯曲金属勺子——形状的变化是通过位错在晶格中的移动来实现的。位错越容易移动，材料越软。但是如果位错的运动被晶格不规则形式的障碍物阻挡，然后需要更多的力来移动位错内的原子，并且材料变得更坚固。另一方面，障碍物通常会使材料更脆——容易开裂。

使用中子衍射、电子背散射衍射和透射电子显微镜，里奇、乔治和他们在伯克利实验室、布里斯托大学、卢瑟福阿普尔顿实验室和新南威尔士大学的同事检查了 CrCoNi 样品的晶格结构在室温和 20 K 下断裂。（为了测量强度和延展性，原始金属试样被拉伸直至断裂，而对于断裂韧性测试，在拉伸之前有意将尖锐的裂纹引入样品中，并且应力增长所需的应力然后测量裂缝。）

从这些技术生成的图像和原子图显示，合金的韧性是由于当对材料施加力时以特定顺序起作用的三重位错障碍。首先，移动位错导致晶体区域从平行平面上的其他区域滑开。这种运动取代了单元格层，因此它们的图案不再在垂直于滑动运动的方向上匹配，从而产生了一种障碍。金属上的进一步力会产生一种称为纳米孪生的现象，其中晶格区域形成镜像对称，其间有边界。最后，如果力继续作用在金属上，则输入系统的能量会改变晶胞本身的排列，

这种原子相互作用的顺序确保金属保持流动，但也不断遇到来自障碍物的新阻力，远远超过大多数材料从应变中断裂的程度。“所以当你拉动它时，第一个机制启动，然后第二个启动，然后第三个启动，然后是第四个，”Ritchie 解释道。“现在，很多人会说，好吧，我们已经在常规材料中看到了纳米孪生，我们在常规材料中看到了滑移。这是真的。这并没有什么新鲜事，但事实是它们都以这种神奇的顺序发生这给了我们这些非常巨大的特性。”

该团队的新发现，连同最近关于 HEA 的其他工作，可能会迫使材料科学界重新考虑长期以来关于物理特性如何产生性能的观念。“这很有趣，因为冶金学家说材料的结构决定了它的特性，但 NiCoCr 的结构是你能想象到的最简单的——它只是晶粒，”Ritchie 说。“然而，当你使它变形时，结构变得非常复杂，这种转变有助于解释它对断裂的特殊抵抗力，”共同作者，伯克利实验室分子铸造厂国家电子显微镜设施中心主任 Andrew Minor 补充道，加州大学伯克利分校材料科学与工程教授。“

CrMnFeCoNi 合金也在 20 开尔文下进行了测试，表现令人印象深刻，但没有达到与更简单的 CrCoNi 合金相同的韧性。

锻造新产品

现在，人们对 CrCoNi 合金的内部工作原理有了更好的了解，它和其他 HEA 离在特殊应用中的采用又近了一步。尽管这些材料的制造成本很高，但乔治预见到在极端环境可能会破坏标准金属合金的情况下的用途，例如在深空的寒冷温度下。他和他在橡树岭的团队还在研究如何使由更丰富和更便宜的元素制成的合金——由于电池行业对钴和镍的需求，全球范围内钴和镍短缺——可以被诱导具有类似的特性。

虽然进展令人兴奋，但 Ritchie 警告说，出于充分的理由，现实世界的使用可能还有一段路要走。“当你在飞机上飞行时，你会想知道让你免于坠落 40,000 英尺的是几个月前才开发的机身合金吗？还是你希望这些材料成熟且易于理解？这就是为什么结构材料可能需要很多年，甚至几十年才能投入实际使用。

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