美發現最高韌性合金 極寒中仍具超高性能

【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。

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