英国布里斯托大学Science：在耐极寒中具有极高的断裂韧性的CrCoNi合金

【导读】

高熵合金（HEA）在冶金界引起了越来越多的关注，因为它是一类金属材料，其性能来自多种主元素的存在，而不是像大多数传统金属合金那样来自单一的主要成分（例如，钢中的铁）。该领域已经发展到包括等原子和非等原子合金，单相固溶体和多相成分复杂合金，目标是找到与传统合金不同的性能组合。寻找在极低温度下具有良好断裂性能的结构材料具有挑战性，对于太空探索等领域很重要。而CrCoNi基中熵和高熵合金表现出出色的损伤耐受性，特别是在低温下。

【成果掠影】

近日，英国布里斯托大学Robert O. Ritchie教授研究了等原子CrCoNi和CrMnFeCoNi合金在20开尔文(K)下的断裂韧性值。发现CrMnFeCoNi和CrCoNi的裂纹起裂断裂韧性分别高达262和459兆帕斯卡-米^½(MPa·m^½); CrCoNi在2.25毫米的稳定开裂后，显示出超过540 MPa·m^½的裂纹扩展韧性。20 K下的裂纹尖端变形结构与较高温度下的裂纹尖端变形结构截然不同。他们认为这些合金通过变形机制、位错滑动、堆积-断层形成、纳米孪晶和相变的逐步协同作用来发展抗断裂性，这些协同作用可以延长应变硬化，同时提高强度和延展性，从而获得异常的韧性。相关成果以“Exceptional fracture toughness of CrCoNi-based medium- and high-entropy alloys at 20 kelvin”发表在Science上。英国布里斯托大学Robert O. Ritchie教授为论文的通讯作者。

【数据概况】

图 1.CrCoNi和CrMnFeCoNi合金的J-R曲线和断裂韧性值随温度的变化。© 2022 AAAS

图 2.CrCoNi基合金的微观结构和断口形貌。© 2022 AAAS

图 3.EBSD（电子背散射衍射）图。© 2022 AAAS

图 4.HRTEM和4D-STEM表征了293和20 K处与断裂表面相邻的CrCoNi合金中变形的微观结构。© 2022 AAAS

图 5.断裂韧性方面的阿什比图。© 2022 AAAS

【成果启示】

总之，作者发现了一种高熵铬钴镍合金，在20开尔文下，具有非常高的断裂韧性。这种材料行为是由意外的相变引起的，当与其他微观结构结合时，可防止裂纹的形成和扩展。这种合金的断裂韧性，使其在一系列低温应用中具有潜在的用途。这种基于CrCoNi的多主元素合金显然是在极端环境中潜在应用的强候选材料，例如在非常高的应变率和低温下。

参考文献：Liu D, Yu Q, Kabra S, Jiang M, Forna-Kreutzer P, Zhang R, Payne M, Walsh F, Gludovatz B, Asta M et al: Exceptional fracture toughness of CrCoNi-based medium- and high-entropy alloys at 20 kelvin. 2022, 378(6623):978-983.

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