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1912年泰坦尼克號撞上冰山沉沒時，由于船舶鋼材在低溫下的抗斷裂性不足，使得船舶很快消亡。此后，選擇具有優異低溫韌性的材料成為低溫承重應用的重要先決條件。盡管在理解斷裂力學方面取得了進展，但大多數金屬材料隨著溫度的降低而顯示出韌性降低，特別是在液氦溫度（-269°C; 4.15 K）領域。

因此，在低溫下尋找堅韌的合金仍然是一個挑戰。高熵合金（HEA）在冶金界引起了越來越多的關注，作為一類金屬材料，其性能來自多種主元素的存在，而不是像大多數傳統金屬合金那樣來自單一的主要成分（例如，鋼中的鐵），該領域已經發展到包括等原子和非等原子合金，單相固溶體和多相成分復雜合金，目標是找到與傳統合金不同的性能組合。

在此，美國勞倫斯伯克利國家實驗室Robert O. Ritchie教授等展現了某些含有金屬鉻（Cr）、鈷（Co）和鎳（Ni）的合金在20 K時表現出優異的斷裂韌性，這些金屬混合物有可能用于特別低溫的應用，例如深空探索。同時，作者探討了CrCoNi基合金在20 K下韌性的機理（實驗在液氦環境中進行，但合金表面僅達到20 K）。

作者測量并觀察了裂紋萌生、變形和斷裂等行為，以確定與大多數合金相比，這些金屬材料如何隨著溫度的降低而顯示出更高的抗斷裂性。作者觀察到，低堆積斷層能量促進了高應力下變形機制的變化，從而解釋了斷裂韌性。

相關研究成果“Exceptional fracture toughness of CrCoNi-based medium- and high-entropy alloys at 20 kelvin”為題發表在Science上。同時，中科院金屬研究所張哲峰研究員和張鵬研究員以“Getting tougher in the ultracold”為題發表評論文章。

實際上，中熵和高熵合金是具有三種或更多等量的成分的金屬材料類別。那些以Cr，Co和Ni作為主要元素設計的合金顯示出很高的抗損壞性，這引發了對能夠承受極端環境（例如極低溫度）的CrCoNi基合金的尋找。但是，設計具有低溫韌性的合金源于了解裂紋的擴展（斷裂性能）和材料抗斷裂性的基礎機制，即其韌性。例如，具有面心立方（fcc）結構的金屬通常在低溫下表現出優異的韌性。

不幸的是，當溫度達到液氮環境的溫度（據報道在63至77K之間）時，大多數fcc合金的抗壓裂性降低。顯然，僅靠fcc結構不能保證低溫韌性。fcc合金的另一個重要特性是在晶體中原子的正常平面堆疊中形成斷層。這是通過減少堆疊故障能量來實現的。由于應變，這種不規則性會帶來能源成本。堆疊故障能量與晶格變形所需的機械應力成反比（所謂的機械孿晶）。例如，當堆垛故障能量降低時，由鐵（Fe），錳（Mn）和碳（C）組成的鋼在低溫下表現出更高的韌性。

本文的發現支持了優化金屬材料低溫韌性有三個核心原則的觀點。這些原則遵循提高中等熵合金的強度和塑性的原則，即優化材料在變形前可以承受的抗應力性（強度）和在應力下變形而不斷裂的能力（塑性）。

其中一個原則是實現高彈性模量以抑制脆性斷裂。對于脆性材料，如玻璃和陶瓷，裂紋會使原子結合力較弱的表面破裂，并導致災難性斷裂。相反，對于延展性合金，裂紋會因位錯（即結構內的晶體缺陷）和/或機械孿晶的增加而變鈍，后者消耗的能量隨著微觀結構的變化而消散。因此，提高材料韌性的關鍵是抑制脆性斷裂的發生，改善裂紋尖端（裂紋擴展點）附近的塑性功。

在三個原則中，增加彈性模量可以增加斷裂所需的載荷。這反過來又會抑制裂紋的擴展，從而產生高斷裂韌性。對于鎂，鋁，銅和鈦合金和鋼，斷裂韌性幾乎與它們的彈性模量同步增加。本文研究的CrCoNi基中高熵合金的模量為>200 GPa，與鋼相似，這是其高斷裂韌性的原因。

另一個設計原則是減少堆垛故障能量以改善塑性工作。降低這種能量可以同時提高銅合金，FeMn基鋼和各種fcc合金的強度和延展性。由于塑性加工可以估算為強度和塑性的乘積，因此減少堆垛故障能量可以改善塑性加工。事實上，本文利用堆垛斷層能量效應創造了一種基于CrCoNi的高熵合金，以實現優異的低溫斷裂韌性。

第三個設計原則與fcc結構穩定性有關。具有這種結構的金屬材料在低溫變形過程中可能會發生晶體結構轉變（相變）。一般認為，這種轉變會形成對材料增韌有害的脆性結構。然而，并非所有具有這種轉化結構的金屬都是脆性的，相變產生的能量可以提高韌性。因此，控制fcc穩定性的關鍵是確保塑性功不會因相變而減少，而是抑制相變。