金属所《Science》评论文章：金属材料低温韧性优化原则！

2022-12-04 00:11:55, 金属研究所

低温环境下，金属材料通常易于变脆并导致灾难性事故。110年前泰坦尼克号灾难性断裂事故正是由于钢在低温下抗断裂能力不足造成的，尽管这是现代工业文明中的悲剧，但也促进了断裂力学和材料科学技术的发展和进步。此后，为防止此类悲剧再次发生，选择具有优异低温韧性的材料已成为低温承载应用的重要先决条件。然而，大多数金属材料随温度降低呈现出韧性下降的趋势，在低温下寻找高韧性合金仍然是一个重大的挑战。最近，中国科学院金属研究所张鹏研究员和张哲峰研究员应Science期刊邀请，发表了题为“Getting tougher in the ultra-cold”的评论文章，对超低温环境下金属材料韧化探索的研究现状进行了评论，并提出了金属材料强韧化三个原则。该评论文章于2022年12月1日在线发表(Vol. 378, Issue 6623, pp. 947)。

金属材料的断裂韧性代表了裂纹在材料中扩展至断裂所消耗的能量。在韧性材料中，该能量由表面能与塑性功组成，且塑性功是决定断裂韧性大小的关键。对于具有优异拉伸强度、塑性的金属而言，其塑性功通常较高，可以展现出优异的断裂韧性。张哲峰研究团队前期基于Cu合金拉伸断裂性能研究发现：降低层错能可以同步提升其拉伸强度与塑性，并在大量面心立方金属材料（如TWIP钢、奥氏体不锈钢、高熵合金等）中得以验证。

通过第一原理计算模拟，提出了同步提高面心立方金属强度-塑性的三个原则：I）弹性模量高：可确保金属原子间结合力足够大，避免解理断裂发生；II）层错能低：可提高金属塑性变形均匀性和塑性功；III）FCC相稳定性：确保不会因发生相变导致脆性断裂。上述三个原则近期得到了美国Ritchie教授Science文章(Vol. 378, Issue 6623, pp. 978)的实验验证。他们发现具有较高弹性模量的CrCoNi系面心立方中、高熵合金，在液氦环境下使层错能降低，实现了多级协同变形机制，并具有较高的FCC相稳定性，从而在20K超低温下获得了超高的断裂韧性459 MPam^1/2。《Science》重磅：一种新型合金，具有极高的低温断裂韧性！

提出金属材料强韧化原则可为筛选、制备具有优异强韧性金属材料提供指导方向，通过与机器学习及第一原理模拟相结合，可避免无休止地盲目实验和计算，为更高效地开发新型强韧性合金提供设计依据。