讓飛機不再有金屬疲勞,有史以來最高韌性的材料

科學家在設計結構材料時，總是會希望材料既有強度(意味著能抵抗永久變形)，又要延性和抗斷裂性（意味著高度可鍛性)。然而在通常情況下，通過實驗研究最終得到的材料總不能兼顧這兩點，而是將這些性質進行折種。

然而，通過不懈努力，科學家卻似乎找到了一種"魚和熊掌兼得"的材料。一組研究團隊在研究一種由鉻、鈷和鎳構成的金屬合金CrCoNi時，測量到了有史以來材料中的最高韌性。

該團隊由勞倫斯伯克利國家實驗室 (Berkeley Lab) 和橡樹嶺國家實驗室的研究人員領導，于2022 年 12 月 1 日在《科學》雜志上發表了一項描述他們破紀錄發現的研究。“當你設計結構材料時，你希望他們堅固但又具有延展性和抗斷裂性。“通常，它是這些特性之間的折衷。但這種材料兼具兩者，并且在低溫下不會變脆，而是變得更硬。”

關于高熵合金

高熵合金指的是有兩種及以上金屬或非金屬混合熔化而成的合金。其擁有和傳統金屬完全不同的金屬基體性質，其擁有強度大、抗腐蝕性強等優點。因為合金擁有較多的優點，因此合金在生活中存在很廣泛的應用，由五種或者五種以上的金屬物質組成的"高熵合金"。其在現實生活中同樣屬于用途十分廣泛的材料。

高熵合金因具有優異的力學性能、耐腐蝕性能、熱穩定性等受到廣泛關注。高熵納米材料概念于2017年提出，并在2020~2022年間擴展到二維材料領域，但目前對于二維高熵材料的研究還不充分。

與傳統的合金相比，高熵合金在制造強硬度設備領域具有更大的用途。高熵合金的抗腐蝕及抗氧化特性均高于傳統合金。高熵合金是航空發動機的重要材料，發動機運作產生熱量這是不可避免的情況。發動機運作過程中會散發極高的熱量，發動機的部件需要在極高的溫度下依舊保持正常的工作。因此航空發動機的材料選擇存在一定的需求。一般的金屬無法承受較高溫度的工作環境。

擁有最高的韌性合金材料

科學家們在研究一種由鉻、鈷和鎳 (CrCoNi) 制成的金屬合金時，測出了有史以來最高的韌性。這種金屬不僅具有極強的延展性——在材料科學中意味著高度可塑性——而且非常堅固（意味著它能抵抗永久變形），它的強度和延展性隨著溫度的降低而提高。這與現有的大多數其他材料背道而馳.

CrCoNi 是稱為高熵合金 (HEA) 的一類金屬的子集。當今使用的所有合金都含有高比例的一種元素和少量添加的其他元素，但 HEA 是由每種組成元素的等量混合制成的。這些平衡的原子配方似乎賦予其中一些材料在受壓時具有非常高的強度和延展性組合，它們共同構成了所謂的“韌性”。自從大約 20 年前首次開發 HEA 以來，HEA 一直是研究的熱門領域，但直到最近才出現在極端測試中將材料推向極限所需的技術。

“這種材料在液氦溫度（20 開爾文，-424 華氏度）附近的韌性高達 500 兆帕平方根米。在相同的單位中，一塊硅的韌性是 1，客機中的鋁制機身是大約 35 ，而一些最好的鋼材的韌性在 100 左右。因此，500，這是一個驚人的數字，”伯克利實驗室材料科學部高級教職科學家兼 Chua 工程學教授，研究聯合負責人 Robert Ritchie 說在加州大學伯克利分校。

大約十年前，Ritchie 和 George 開始試驗 CrCoNi 和另一種也含有錳和鐵的合金 (CrMnFeCoNi)。他們制作了合金樣品，然后將材料降低到液氮溫度（大約 77 開爾文，或 -321 F），并發現了令人印象深刻的強度和韌性。他們立即想繼續他們的工作，在液氦溫度范圍內進行測試，但要找到能夠在如此寒冷的環境中對樣品進行壓力測試的設施，并招募具有分析材料中發生的情況所需的分析工具和經驗的團隊成員原子水平花了接下來的 10 年。值得慶幸的是，結果值得等待。

CrCoNi高熵合金讓飛機不再有金屬疲勞

如果你親眼目睹了空難現場就知道飛機出現“金屬疲勞”有多可怕了，例如2002年5月25日中華航空的611號航班在10640米高空突然解體，機上人員不幸全部遇難，是“金屬疲勞”導致了這一起悲劇的發生。

“金屬疲勞”讓金屬材料變形，甚至破裂，若是地面上的機器、物品和車輛出現“金屬疲勞”那問題也不大，甚至不會帶來太大的財產損失，大不了我們把疲勞部分更換掉就可以了，但飛機在飛行時出現“金屬疲勞”卻不行。

飛機出現“金屬疲勞”暴露出航空材料的弱點，堅硬度不夠，延展性和韌性不足，如何解決“金屬疲勞”問題成為了一道難以解決的“航空難題”

而CrCoNi材料的出現有效的解決了這一難題 ，更有相關人員表示：如果把這種超強的合金材料用在飛機上，即便飛機飛報廢了也不會出現“金屬疲勞”這個問題。

知道CrCoNi有多堅硬嗎？在同等單位下，金屬硅的韌性為1MPa·m ?，鋁合金的飛機材料韌性為35MPa·m ?，最好的鋼合金韌性只有100MPa·m ?，但是CrCoNi合金材料韌性達到了540MPa·m ?。

所以，CrCoNi是現在鋁合金飛機材料的15倍以上，是鋼合金韌性的5倍以上，如果飛機使用上CrCoNi合金材料，即便飛機開到報廢的年限了，應該不會再出現“金屬疲勞”這個問題，那么空災也會相對減少，這是好事一樁。

凝視水晶

許多固體物質，包括金屬，都以結晶形式存在，其特征是重復的 3D 原子模式，稱為晶胞，構成更大的結構，稱為晶格。材料的強度和韌性，或缺乏強度和韌性，來自晶格的物理特性。沒有晶體是完美的，因此材料中的晶胞不可避免地包含“缺陷”，一個突出的例子是位錯——未變形晶格與變形晶格相遇的邊界。當對材料施加力時——例如，想一想彎曲金屬勺子——形狀的變化是通過位錯在晶格中的移動來實現的。位錯越容易移動，材料越軟。但是如果位錯的運動被晶格不規則形式的障礙物阻擋，然后需要更多的力來移動位錯內的原子，并且材料變得更堅固。另一方面，障礙物通常會使材料更脆——容易開裂。

使用中子衍射、電子背散射衍射和透射電子顯微鏡，里奇、喬治和他們在伯克利實驗室、布里斯托大學、盧瑟福阿普爾頓實驗室和新南威爾士大學的同事檢查了 CrCoNi 樣品的晶格結構在室溫和 20 K 下斷裂。（為了測量強度和延展性，原始金屬試樣被拉伸直至斷裂，而對于斷裂韌性測試，在拉伸之前有意將尖銳的裂紋引入樣品中，并且應力增長所需的應力然后測量裂縫。）

從這些技術生成的圖像和原子圖顯示，合金的韌性是由于當對材料施加力時以特定順序起作用的三重位錯障礙。首先，移動位錯導致晶體區域從平行平面上的其他區域滑開。這種運動取代了單元格層，因此它們的圖案不再在垂直于滑動運動的方向上匹配，從而產生了一種障礙。金屬上的進一步力會產生一種稱為納米孿生的現象，其中晶格區域形成鏡像對稱，其間有邊界。最后，如果力繼續作用在金屬上，則輸入系統的能量會改變晶胞本身的排列，

這種原子相互作用的順序確保金屬保持流動，但也不斷遇到來自障礙物的新阻力，遠遠超過大多數材料從應變中斷裂的程度。“所以當你拉動它時，第一個機制啟動，然后第二個啟動，然后第三個啟動，然后是第四個，”Ritchie 解釋道。“現在，很多人會說，好吧，我們已經在常規材料中看到了納米孿生，我們在常規材料中看到了滑移。這是真的。這并沒有什么新鮮事，但事實是它們都以這種神奇的順序發生這給了我們這些非常巨大的特性。”

該團隊的新發現，連同最近關于 HEA 的其他工作，可能會迫使材料科學界重新考慮長期以來關于物理特性如何產生性能的觀念。“這很有趣，因為冶金學家說材料的結構決定了它的特性，但 NiCoCr 的結構是你能想象到的最簡單的——它只是晶粒，”Ritchie 說。“然而，當你使它變形時，結構變得非常復雜，這種轉變有助于解釋它對斷裂的特殊抵抗力，”共同作者，伯克利實驗室分子鑄造廠國家電子顯微鏡設施中心主任 Andrew Minor 補充道，加州大學伯克利分校材料科學與工程教授。“

CrMnFeCoNi 合金也在 20 開爾文下進行了測試，表現令人印象深刻，但沒有達到與更簡單的 CrCoNi 合金相同的韌性。

鍛造新產品

現在，人們對 CrCoNi 合金的內部工作原理有了更好的了解，它和其他 HEA 離在特殊應用中的采用又近了一步。盡管這些材料的制造成本很高，但喬治預見到在極端環境可能會破壞標準金屬合金的情況下的用途，例如在深空的寒冷溫度下。他和他在橡樹嶺的團隊還在研究如何使由更豐富和更便宜的元素制成的合金——由于電池行業對鈷和鎳的需求，全球范圍內鈷和鎳短缺——可以被誘導具有類似的特性。

雖然進展令人興奮，但 Ritchie 警告說，出于充分的理由，現實世界的使用可能還有一段路要走。“當你在飛機上飛行時，你會想知道讓你免于墜落 40,000 英尺的是幾個月前才開發的機身合金嗎？還是你希望這些材料成熟且易于理解？這就是為什么結構材料可能需要很多年，甚至幾十年才能投入實際使用。