铬钴镍合金成迄今最坚韧材料

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科技日报记者 刘霞

CrMnFeCoNi和CrCoNi在室温（296开尔文、22.85摄氏度）和20开尔文下的扫描电子显微镜图谱。劳伦斯伯克利国家实验室供图

美英科学家在近期出版的《科学》杂志上刊发论文称，他们在零下253.15℃附近，研究由铬、钴和镍组成的合金CrCoNi时，测得了迄今最高的坚韧度。研究表明，CrCoNi具有极高的延展性和强度，且随着温度降低，其坚硬度和延展性会提高而非降低，与现有大多数其他材料背道而驰，有望在低温领域发挥用武之地。

约10年前，本研究共同负责人、美国橡树岭国家实验室伊索·乔治等人开始研究CrCoNi和另一种含有锰和铁的合金CrMnFeCoNi。他们将材料冷却到液氮温度（约77开氏度或-196.15℃），发现其具有惊人的强度和韧性。随后，他们借助中子衍射、电子背散射衍射和透射电子显微镜等技术，在液氦温度附近对其开展测试。

研究共同负责人、美国劳伦斯伯克利国家实验室罗伯特·里奇表示，CrCoNi在液氦温度（约20开氏度，-253.15℃）附近的断裂韧性高达500MPa·m^1/2（兆帕乘以米的平方根），相较之下，硅、客机上的铝机身、一些最好的钢的韧性分别为1、35、100MPa·m^1/2。在相同温度下对CrMnFeCoNi合金进行的测试表明，其韧性比结构更简单的CrCoNi合金略逊一筹。

研究团队解释说，变形机制、位错滑移、层错形成、纳米孪晶和相变的渐进协同作用可延长CrCoNi的应变硬化，同时提高其强度和延展性，从而产生优异的韧性。

乔治说，最新发现将使材料科学界重新思考有关物理结构与性能之间关系，“冶金学家说材料的结构决定了它的性质，但NiCoCr的结构非常简单。不过当它变形时，结构变得异常复杂，这有助于解释其非凡的抗断裂能力”。

研究团队认为，尽管CrCoNi的制造成本很高，但有望在寒冷的深空环境等低温应用领域找到用武之地。鉴于电池行业飞速发展导致全球钴和镍短缺，他们也在研究用更丰富且更便宜的元素制成具有类似特性的合金。

关键词： 钴镍合金