美發現最高韌性合金 極寒中仍具超高性能

Daphane

來源:大紀元


美國伯克利國家實驗室發現一種由鉻、鈷和鎳組成的合金（CrCoNi），是具有最抗斷裂特性的堅硬材料。圖為CrCoNi合金在20開爾文（-424 F）壓力測試期間納米級的斷裂路徑和伴隨的晶體結構變形。裂縫從左向右擴展。


【大紀元2023年01月03日訊】（大紀元專題部記者吳瑞昌編譯報導）隨著人類探索太空和極端區域的需求增加，人們開始尋找那些能夠在低溫下使用的金屬材料。美國的國家實驗室發現一種由鉻、鈷和鎳組成的合金，其能夠在極度低溫下保持極高韌性，是目前世界上韌性最高的合金。
美國的勞倫斯伯克利國家實驗室（Berkeley Lab）和橡樹嶺國家實驗室一同將這項實驗成果寫成論文，於2022年12月發表到《科學》雜誌上。該項研究獲得美國能源部科學辦公室的支持。
科學家研究由「鉻、鈷和鎳（CrCoNi）」和「鉻、錳、鐵、鈷和鎳（CrMnFeCoNi）」進行等比例製作的合金金屬，並測試他們的斷裂韌性值，觀測到「鉻錳鐵鈷鎳」和「鉻鈷鎳」合金在零下253.15°C時的斷裂韌性值，分別為262和459兆帕-平方根米（MPa·m½）。
另外，經實驗後發現，「鉻鈷鎳」合金在2.25毫米的穩定裂開後，顯示出超過540 MPa·m½的裂紋擴展韌性。以上這些數值代表著該合金擁有目前世界上最高的韌性。科學家還發現，這種金屬在低溫下的變形與高溫下的變形結構，出現截然不同的結果。
這種合金不僅擁有極高的延展性，也擁有極高的可塑性，同時又非常堅固（幾乎擁有永久耐變形能力）。此外，該合金還有一項極特殊的性質，它的強度和延展性會隨著溫度降低而提高，這與世界上大多材料的性質相反。
鉻、鈷和鎳製成的合金，屬於高熵合金（HEA）類型，這與其它一般合金不同。不同之處在於其它合金會由一種高比例的金屬（例如，鐵、金、銀或銅等）和少量的其它元素或金屬組成（例如，不鏽鋼、18K金等），但HEA類型的合金，是指由每種元素幾乎以等比例進行混合製成。
這些每種等量元素混合成的合金，似乎賦予材料在受壓時具有非常高的「強度」和「延展性」組合成金屬的「韌性」。
他們發現這些合金在常溫施壓的情況下，並沒有複雜的微觀結構，但在極低溫下施展壓力時，微觀的結構開始變得複雜。合金中的結晶會從圓型顆粒變成條狀，並具有強烈的平面變形傾向，最終形成一堆縱橫交錯的變形帶，因此推測這些改變讓合金金屬增強其韌性。
伯克利實驗室材料科學部高級教職科學家兼工程學教授羅伯特·里奇（Robert Ritchie）對伯克利國家實驗室新聞室表示：「原本這種合金的金屬原子是滑順且簡單的晶粒，但在低溫施壓出現變形時，其內部開始出現大量障礙物，這讓它的斷裂韌性值遠超過大多數材料。」
該實驗室的電子顯微鏡中心主任小安德魯（Andrew Minor）則補充說：「當金屬形變後結構變得非常複雜，這種轉變有助於解釋為何它會出現對這種對抗斷裂的特性。」
另外，里奇教授還表示：「這種材料在液態氦（He）的溫度（-253.15°C）時，卻擁有高達500 MPa·m½的斷裂韌性值。」
里奇教授解釋：「若相同單位中，一塊硅（Si）的斷裂韌性值是1 MPa·m½、客機使用的鋁合金機身斷裂韌性值是35 MPa·m½，而最好的鋼材斷裂韌性值是100 MPa·m½，那麼該合金展現的數值是十分驚人的。」
不過，里奇教授表示，儘管目前發展令人興奮，但是距離實用階段還為之過早。「我們需要更多時間去更加了解這種材料的性質，未來才能在投入實際應用當中，避免人們使用它時，出現大家最不想看到的意外發生。」
新聞室在報導中提到，橡樹嶺國家實驗室的工程學教授喬治（Easo P. George）和里奇教授在十年前就開始研究鉻鈷鎳合金，與該金屬上再加上含錳（Mn）和鐵（Fe）的鉻錳鐵鈷鎳（CrMnFeCoNi）合金。
當時他們將材料放至液態氮溫度下（-196 °C）觀察該種金屬的變化時發現，該種合金有著讓人印象深刻的韌性和強度。為了能在這種寒冷溫度下進行各種樣品的測試，他們花費10年時間才找齊各式各樣的人員和工具，最終才得出該實驗成果。