这种合金是地球上已知最坚硬的材料，而且在寒冷中会变得更坚硬：

铬、钴和镍的合金刚刚为我们提供了地球上材料有史以来最高的断裂韧性。

它具有异常高的强度和延展性，导致科学家团队被称为“出色的损伤容限”。

此外，与直觉相反的是，随着材料变冷，这些特性会增加，这表明在极端低温环境中的应用具有一些有趣的潜力。

“当你橡树岭国家实验室和田纳西大学高级合金理论与开发主任、冶金学家 Easo George 说：“设计结构材料时，您希望它们既坚固又具有延展性和抗断裂性。”

“通常情况下，这是这些特性之间的折衷。但这种材料兼具两者，并且在低温下不会变脆，而是变得更硬。”

强度、延展性和韧性是决定耐用性的三个特性材料是。力量描述抗变形能力。延展性描述了材料的延展性。这两个特性有助于其整体韧性：抗断裂性。断裂韧性是指已经断裂的材料对进一步断裂的抵抗力。

George 和资深作者、伯克利国家实验室和加州大学伯克利分校的机械工程师 Robert Richie 花了一些时间研究一类被称为高熵合金或 HEA 的材料。大多数合金以一种元素为主，混有少量其他元素。HEA 包含等比例混合的元素。

其中一种合金 CrMnFeCoNi（铬、锰、铁、钴和镍）具有在科学家们注意到它的强度和延展性在液氮温度下增加而不影响韧性后，成为了深入研究的主题。

这种合金的一种衍生物 CrCoNi（铬、钴和镍）表现出更加出色的表现p财产。因此，George 和 Ritchie 以及他们的团队开始努力将其推向极限。

CrMnFeCoNi 和 CrCoNi 的晶粒和晶格结构。 （罗伯特·里奇/伯克利实验室）

之前关于 CrMnFeCoNi 和 CrCoNi 的实验是在液氮温度下进行的，温度高达 77 开尔文（-196°C，-321°F）。该团队将其进一步推向了液态氦 t温度。

结果超出了惊人的范围。

“这种材料在液氦温度（20 开尔文，[-253°C，-424°F]）附近的韧性与高达 500 兆帕平方根米，”Ritchie 解释说。

“在相同的单位中，一块硅的韧性是 1，客机中的铝制机身大约是 35，一些最好的钢的含量约为 100。因此，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达到原子水平。

这涉及使材料开裂并测量导致断裂扩展所需的应力，然后观察样品的晶体结构。

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金属中的原子在三维空间中以重复模式排列。这种模式被称为晶格。重复的com晶格中的成分称为晶胞。

有时会在变形的晶胞和未变形的晶胞之间创建边界。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，它的延展性就越大。

293 开尔文（左）和 CrCoNi 中断裂的扫描电子显微镜图像20 开尔文（右）。 （罗伯特·里奇/伯克利实验室）

金属中的不规则性会阻碍位错移动；这就是使材料坚固的原因。但如果位错被阻挡，材料不会变形，而是会开裂，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，即晶格的平行部分相互滑开。这导致晶胞不再垂直于滑移方向匹配。

持续的力产生纳米孪晶，其中晶格在边界的任一侧形成镜像排列。如果施加更大的力，该能量会重新排列晶胞的形状，从立方晶格到六方晶格。

“当你拉动它时，第一个机制启动，然后第二个开始，然后第三个开始，然后是第四个，”Ritchie 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。这并没有什么新鲜事，但事实是它们都发生了在这个神奇的序列中，为我们提供了这些真正巨大的特性。”

研究人员还在液氦温度下测试了 CrMnFeCoNi，但它的性能几乎不如其更简单的衍生物。

下一步将是研究这种材料的潜在应用，以及寻找具有类似特性的其他 HEA。

该研究已发表在《科学》杂志上。