多元素材料“高熵合金”越是低溫越堅韌

在77K溫度下，背散射電子成像顯示，斷裂錯位作用形成的晶格結構導致了變形，由此引起納米結對現象。

　　一種名為“高熵合金”的新概念合金設計，已經帶來了一類多元素材料。最近，美國能源部勞倫斯·伯克利國家實驗室與橡樹嶺國家實驗室（ORNL）合作開發出一種叫做鉻錳鐵鈷鎳（CrMnFeCoNi）的高熵合金，經檢測它不僅是現有記錄的最硬材料之一，而且在低溫下強度、延展性反而提高。相關論文發表在最近出版的《科學》雜志上。

　　雖然高熵合金出現已有十多年，但直到最近它們的品質才可用于科學研究。據物理學家組織網9月5日（北京時間）報道，橡樹嶺國家實驗室伊索·喬治研究小組把高純元素初始材料用電弧熔融，結合澆鑄工藝造出了高質量的鉻錳鐵鈷鎳合金，樣本為層狀結構，厚約10毫米。他們檢驗了樣本的延展性和微觀結構后，把樣本送到伯克利實驗室材料科學分部材料科學家羅伯特·里奇那里進一步檢測。

　　“我們對鉻錳鐵鈷鎳合金進行了檢測，它含有5種主元素而不是一種。”里奇說，“雖然各元素單獨的晶體結構不同，但合金晶體只有一種相態。具有卓越的抗損傷能力，抗伸展強度超過10億帕，斷裂韌度值打破記錄，超過目前所有其他金屬合金。”

　　他們從室溫降到77K（約-196.15℃，液氮的溫度）溫度，檢測了鉻錳鐵鈷鎳合金的伸展強度和斷裂韌度值，屬于現有材料記錄中最高值范圍，而且在低溫下，這些值性還會增加。絕大多數合金在低溫下都會失去延展性，變得更脆而易碎。

　　傳統合金制造方法的一個不變特征是，一種元素作主成分，其余為少量添加，其機械性能通常依靠出現第二種相態。“高熵合金從根本上違反了傳統方法，它的性質并非來自合金中的每種成分或第二種相態。”里奇說，“高熵這一概念意味著，隨著合金成分元素的增加，其位形熵也增加，也就抵消了它們形成化合物，變成單相態材料（如純金屬）的趨勢。”

　　里奇和喬治認為，鉻錳鐵鈷鎳合金能在低溫下表現出非凡的強度、延展性和硬度，關鍵在于一種“納米結對”效應，也就是在變形過程中，相鄰晶格區的原子排列彼此形成鏡像結構。里奇說：“這表明它除了具有大部分金屬在環境溫度下具有的平滑錯位機制，還有一種塑性機制。在低溫下，材料經受了塑性變形產生了納米結對，結果就是連續的機械硬化，以此來遏制早期破壞造成的局部變形。”

　　里奇還指出，鉻錳鐵鈷鎳合金及其他高熵合金的機械性質尚未達到最優化，它們可能還有更好的性質。“由于高熵合金是單一相態，我們推測它們用在低溫下可能非常理想，比如存儲液化天然氣、氫氣和氧氣。”