铬、钴和镍的合金刚刚为我们提供了地球上测量到的材料中最高的断裂韧性。
它具有极高的强度和延展性，从而具有科学家团队所说的“出色的损伤耐受性”。
此外，与直觉相反的是，这些特性随着材料变冷而增强，这表明在极端低温环境中的应用具有一些有趣的潜力。
“当你设计结构材料时，你希望它们既坚固又具有延展性和抗断裂性，”冶金学家伊索·乔治说，橡树岭国家实验室和田纳西大学高级合金理论与开发州长主席。
“通常，这是这些特性之间的折衷。但这种材料两者兼而有之，并且在低温下不会变脆，而是变得更坚韧。”
强度、延展性和韧性是决定材料耐用程度的三个属性。强度描述了抗变形能力。延展性描述了材料的延展性。这两个特性决定了其整体韧性：抗断裂性。断裂韧性是已断裂材料对进一步断裂的抵抗力。
乔治和伯克利国家实验室和加州大学伯克利分校的资深作者、机械工程师罗伯特·里奇花了一些时间研究一类被称为高熵合金（HEA）的材料。大多数合金以一种元素为主，混入少量其他元素。HEA 包含等比例混合的元素。
其中一种合金 CrMnFeCoNi（铬、锰、铁、钴和镍）在科学家注意到在液氮温度下其强度和延展性增加，而不会影响韧性。
这种合金的一种衍生物 CrCoNi（铬、钴和镍）表现出更优异的性能。因此，乔治和里奇以及他们的团队竭尽全力，开始将其推向极限。
之前对 CrMnFeCoNi 和 CrCoNi 的实验是在液氮温度下进行的，最高 77 开尔文 (-196℃,-321°F)。该团队将其进一步推向液氦温度。
结果令人震惊。
“这种材料的韧性接近液氦温度（20 开尔文，[-253℃，-424°F]) 高达 500 兆帕平方根米，"里奇解释道。
“在同样的单位中，一块硅的韧性是1，客机中的铝机身大约是35，一些最好的钢的韧性在100左右。所以，500，这是一个惊人的数字。”
为了弄清楚它是如何工作的，该团队使用中子衍射、电子背散射衍射和透射电子显微镜来研究 CrCoNi 在室温和极冷条件下断裂时的原子水平。
这包括使材料破裂并测量导致裂纹扩展所需的应力，然后观察样品的晶体结构。
金属中的原子在三维空间中以重复的模式排列。这种图案称为晶格。晶格中的重复成分称为晶胞。
有时，变形的晶胞和未变形的晶胞之间会产生边界。这些边界称为位错，当对金属施加力时，它们会移动，从而使金属改变形状。金属的位错越多，其延展性就越大。
金属中的不规则性会阻碍位错的移动；这就是材料坚固的原因。但如果位错被阻止，材料不会变形，而是会破裂，因此高强度通常意味着高脆性。在 CrCoNi 中，研究人员确定了三个位错块的特定序列。
首先发生的是滑移，即晶格的平行部分彼此滑离。这导致晶胞不再垂直于滑移方向匹配。
持续的力量产生纳米孪晶，其中晶格在边界两侧形成镜像排列。如果施加更大的力，该能量就会重新排列晶胞的形状，从立方晶格变成六方晶格。
“当你拉动它时，第一个机制启动，然后第二个启动，然后第三个启动，然后第四个启动，”里奇说。
“现在，很多人会说，好吧，我们已经在常规材料中看到了纳米孪晶，我们已经在常规材料中看到了滑移。这是真的。这并不是什么新鲜事，但事实是它们都以这种神奇的顺序发生这给了我们这些真正巨大的特性。”
研究人员还在液氦温度下测试了 CrMnFeCoNi，但它的性能远不如其更简单的衍生物。
下一步将研究这种材料的潜在应用，并寻找具有类似特性的其他高熵合金。
该研究发表于科学。
