讓飛機(jī)不再有金屬疲勞,有史以來最高韌性的材料

科學(xué)家在設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)材料時(shí)，總是會(huì)希望材料既有強(qiáng)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(shí)驗(yàn)研究最終得到的材料總不能兼顧這兩點(diǎn)，而是將這些性質(zhì)進(jìn)行折種。

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

該團(tuán)隊(duì)由勞倫斯伯克利國家實(shí)驗(yàn)室 (Berkeley Lab) 和橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室的研究人員領(lǐng)導(dǎo)，于2022 年 12 月 1 日在《科學(xué)》雜志上發(fā)表了一項(xiàng)描述他們破紀(jì)錄發(fā)現(xiàn)的研究?！爱?dāng)你設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)材料時(shí)，你希望他們堅(jiān)固但又具有延展性和抗斷裂性?！巴ǔ?，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(huì)變脆，而是變得更硬?！?/p>

關(guān)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(tǒng)金屬完全不同的金屬基體性質(zhì)，其擁有強(qiáng)度大、抗腐蝕性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。因?yàn)楹辖饟碛休^多的優(yōu)點(diǎn)，因此合金在生活中存在很廣泛的應(yīng)用，由五種或者五種以上的金屬物質(zhì)組成的"高熵合金"。其在現(xiàn)實(shí)生活中同樣屬于用途十分廣泛的材料。

高熵合金因具有優(yōu)異的力學(xué)性能、耐腐蝕性能、熱穩(wěn)定性等受到廣泛關(guān)注。高熵納米材料概念于2017年提出，并在2020~2022年間擴(kuò)展到二維材料領(lǐng)域，但目前對于二維高熵材料的研究還不充分。

與傳統(tǒng)的合金相比，高熵合金在制造強(qiáng)硬度設(shè)備領(lǐng)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(tǒng)合金。高熵合金是航空發(fā)動(dòng)機(jī)的重要材料，發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)作產(chǎn)生熱量這是不可避免的情況。發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)作過程中會(huì)散發(fā)極高的熱量，發(fā)動(dòng)機(jī)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(fā)動(dòng)機(jī)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(huán)境。

擁有最高的韌性合金材料

科學(xué)家們在研究一種由鉻、鈷和鎳 (CrCoNi) 制成的金屬合金時(shí)，測出了有史以來最高的韌性。這種金屬不僅具有極強(qiáng)的延展性——在材料科學(xué)中意味著高度可塑性——而且非常堅(jiān)固（意味著它能抵抗永久變形），它的強(qiáng)度和延展性隨著溫度的降低而提高。這與現(xiàn)有的大多數(shù)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(dāng)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(shí)具有非常高的強(qiáng)度和延展性組合，它們共同構(gòu)成了所謂的“韌性”。自從大約 20 年前首次開發(fā) HEA 以來，HEA 一直是研究的熱門領(lǐng)域，但直到最近才出現(xiàn)在極端測試中將材料推向極限所需的技術(shù)。

“這種材料在液氦溫度（20 開爾文，-424 華氏度）附近的韌性高達(dá) 500 兆帕平方根米。在相同的單位中，一塊硅的韌性是 1，客機(jī)中的鋁制機(jī)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(gè)驚人的數(shù)字，”伯克利實(shí)驗(yàn)室材料科學(xué)部高級教職科學(xué)家兼 Chua 工程學(xué)教授，研究聯(lián)合負(fù)責(zé)人 Robert Ritchie 說在加州大學(xué)伯克利分校。

大約十年前，Ritchie 和 George 開始試驗(yàn) 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(fā)現(xiàn)了令人印象深刻的強(qiáng)度和韌性。他們立即想繼續(xù)他們的工作，在液氦溫度范圍內(nèi)進(jìn)行測試，但要找到能夠在如此寒冷的環(huán)境中對樣品進(jìn)行壓力測試的設(shè)施，并招募具有分析材料中發(fā)生的情況所需的分析工具和經(jīng)驗(yàn)的團(tuán)隊(duì)成員原子水平花了接下來的 10 年。值得慶幸的是，結(jié)果值得等待。

CrCoNi高熵合金讓飛機(jī)不再有金屬疲勞

如果你親眼目睹了空難現(xiàn)場就知道飛機(jī)出現(xiàn)“金屬疲勞”有多可怕了，例如2002年5月25日中華航空的611號(hào)航班在10640米高空突然解體，機(jī)上人員不幸全部遇難，是“金屬疲勞”導(dǎo)致了這一起悲劇的發(fā)生。

“金屬疲勞”讓金屬材料變形，甚至破裂，若是地面上的機(jī)器、物品和車輛出現(xiàn)“金屬疲勞”那問題也不大，甚至不會(huì)帶來太大的財(cái)產(chǎn)損失，大不了我們把疲勞部分更換掉就可以了，但飛機(jī)在飛行時(shí)出現(xiàn)“金屬疲勞”卻不行。

飛機(jī)出現(xiàn)“金屬疲勞”暴露出航空材料的弱點(diǎn)，堅(jiān)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(xiàn)有效的解決了這一難題 ，更有相關(guān)人員表示：如果把這種超強(qiáng)的合金材料用在飛機(jī)上，即便飛機(jī)飛報(bào)廢了也不會(huì)出現(xiàn)“金屬疲勞”這個(gè)問題。

知道CrCoNi有多堅(jiān)硬嗎？在同等單位下，金屬硅的韌性為1MPa·m ?，鋁合金的飛機(jī)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(dá)到了540MPa·m ?。

所以，CrCoNi是現(xiàn)在鋁合金飛機(jī)材料的15倍以上，是鋼合金韌性的5倍以上，如果飛機(jī)使用上CrCoNi合金材料，即便飛機(jī)開到報(bào)廢的年限了，應(yīng)該不會(huì)再出現(xiàn)“金屬疲勞”這個(gè)問題，那么空災(zāi)也會(huì)相對減少，這是好事一樁。

凝視水晶

許多固體物質(zhì)，包括金屬，都以結(jié)晶形式存在，其特征是重復(fù)的 3D 原子模式，稱為晶胞，構(gòu)成更大的結(jié)構(gòu)，稱為晶格。材料的強(qiáng)度和韌性，或缺乏強(qiáng)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(gè)突出的例子是位錯(cuò)——未變形晶格與變形晶格相遇的邊界。當(dāng)對材料施加力時(shí)——例如，想一想彎曲金屬勺子——形狀的變化是通過位錯(cuò)在晶格中的移動(dòng)來實(shí)現(xiàn)的。位錯(cuò)越容易移動(dòng)，材料越軟。但是如果位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)被晶格不規(guī)則形式的障礙物阻擋，然后需要更多的力來移動(dòng)位錯(cuò)內(nèi)的原子，并且材料變得更堅(jiān)固。另一方面，障礙物通常會(huì)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(shí)驗(yàn)室、布里斯托大學(xué)、盧瑟福阿普爾頓實(shí)驗(yàn)室和新南威爾士大學(xué)的同事檢查了 CrCoNi 樣品的晶格結(jié)構(gòu)在室溫和 20 K 下斷裂。（為了測量強(qiáng)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(yīng)力增長所需的應(yīng)力然后測量裂縫。）

從這些技術(shù)生成的圖像和原子圖顯示，合金的韌性是由于當(dāng)對材料施加力時(shí)以特定順序起作用的三重位錯(cuò)障礙。首先，移動(dòng)位錯(cuò)導(dǎo)致晶體區(qū)域從平行平面上的其他區(qū)域滑開。這種運(yùn)動(dòng)取代了單元格層，因此它們的圖案不再在垂直于滑動(dòng)運(yùn)動(dòng)的方向上匹配，從而產(chǎn)生了一種障礙。金屬上的進(jìn)一步力會(huì)產(chǎn)生一種稱為納米孿生的現(xiàn)象，其中晶格區(qū)域形成鏡像對稱，其間有邊界。最后，如果力繼續(xù)作用在金屬上，則輸入系統(tǒng)的能量會(huì)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(dòng)，但也不斷遇到來自障礙物的新阻力，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過大多數(shù)材料從應(yīng)變中斷裂的程度?！八援?dāng)你拉動(dòng)它時(shí)，第一個(gè)機(jī)制啟動(dòng)，然后第二個(gè)啟動(dòng)，然后第三個(gè)啟動(dòng)，然后是第四個(gè)，”Ritchie 解釋道。“現(xiàn)在，很多人會(huì)說，好吧，我們已經(jīng)在常規(guī)材料中看到了納米孿生，我們在常規(guī)材料中看到了滑移。這是真的。這并沒有什么新鮮事，但事實(shí)是它們都以這種神奇的順序發(fā)生這給了我們這些非常巨大的特性?！?/p>

該團(tuán)隊(duì)的新發(fā)現(xiàn)，連同最近關(guān)于 HEA 的其他工作，可能會(huì)迫使材料科學(xué)界重新考慮長期以來關(guān)于物理特性如何產(chǎn)生性能的觀念?！斑@很有趣，因?yàn)橐苯饘W(xué)家說材料的結(jié)構(gòu)決定了它的特性，但 NiCoCr 的結(jié)構(gòu)是你能想象到的最簡單的——它只是晶粒，”Ritchie 說?！叭欢?，當(dāng)你使它變形時(shí)，結(jié)構(gòu)變得非常復(fù)雜，這種轉(zhuǎn)變有助于解釋它對斷裂的特殊抵抗力，”共同作者，伯克利實(shí)驗(yàn)室分子鑄造廠國家電子顯微鏡設(shè)施中心主任 Andrew Minor 補(bǔ)充道，加州大學(xué)伯克利分校材料科學(xué)與工程教授?！?img src="../upload/202305/1683424903106538.png" data-width="342" data-height="221" style="display: inline-block;" alt="瀟灑培訓(xùn)歡迎你(瀟灑學(xué)校)" title="瀟灑培訓(xùn)歡迎你(瀟灑學(xué)校)" />

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

鍛造新產(chǎn)品

現(xiàn)在，人們對 CrCoNi 合金的內(nèi)部工作原理有了更好的了解，它和其他 HEA 離在特殊應(yīng)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(yù)見到在極端環(huán)境可能會(huì)破壞標(biāo)準(zhǔn)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(tuán)隊(duì)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(yè)對鈷和鎳的需求，全球范圍內(nèi)鈷和鎳短缺——可以被誘導(dǎo)具有類似的特性。

雖然進(jìn)展令人興奮，但 Ritchie 警告說，出于充分的理由，現(xiàn)實(shí)世界的使用可能還有一段路要走。“當(dāng)你在飛機(jī)上飛行時(shí)，你會(huì)想知道讓你免于墜落 40,000 英尺的是幾個(gè)月前才開發(fā)的機(jī)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(jié)構(gòu)材料可能需要很多年，甚至幾十年才能投入實(shí)際使用。