“这个实验真的可以完成吗？我得去现场看看！”

美国工程院和英国皇家工程院院士、英国皇家科学院院士、美国劳伦斯伯克利国家实验室教授Robert O. Ritchie为何如此激动？

1912年泰坦尼克号撞上冰山沉没时，由于船舶钢材在低温下的抗断裂性不足，使得船舶很快消亡。此后，选择具有优异低温韧性的材料成为低温承重应用的重要先决条件。尽管在理解断裂力学方面取得了进展，但大多数金属材料随着温度的降低而显示出韧性降低，特别是在液氦温度（-269°C; 4.15 K）领域。

因此，在低温下寻找坚韧的合金仍然是一个挑战。高熵合金（HEA）在冶金界引起了越来越多的关注，作为一类金属材料，其性能来自多种主元素的存在，而不是像大多数传统金属合金那样来自单一的主要成分（例如，钢中的铁），该领域已经发展到包括等原子和非等原子合金，单相固溶体和多相成分复杂合金，目标是找到与传统合金不同的性能组合。

原来是有人设计出了一项他们一直想做却没能做的实验——在零下253摄氏度（20开尔文）的低温环境中，揭示CrCoNi基中熵和高熵合金具的断裂韧性，并展示合金裂纹的扩展和断裂全过程。

提出实验方案并主导完成这一实验研究的，是英国布里斯托尔大学物理学院年轻的副教授刘栋。12月2日，完整的研究成果在Science发表，刘栋是论文的第一作者，Robert O. Ritchie是论文的通讯作者。

中国科学院金属研究所研究员张鹏和张哲峰受Science邀请，为这篇论文撰写了评述文章《在严寒中变得坚强》（Getting tougher in the ultracold）。在阅读这篇论文前，张哲峰非常好奇：“研究人员是如何设计实验的思路，特别是怎么想到这个合金成分韧性会比其他成分高呢？”

“这项研究十分了不起，作者应该是一位女中豪杰！” 张哲峰在采访时候透露，“自己并不认识刘栋，她能够完成这项工作很不容易，这需要有材料韧化理论和机制支撑，不然都是徒劳！”

此前没有其他团队可以完成实验

为什么Robert O. Ritchie一定要去现场看一看实验设计呢？

“因为他与合金材料的提供者、美国橡树岭国家实验室和美国田纳西大学研究员EasoP.George，曾被其他国家的一些实验室团队口头承诺过很多次。如今，他们对这个实验完成的可能性已经‘心灰意冷’。”刘栋笑着告诉。

RobertO.Ritchie和EasoP.George研究高熵合金已有多年，并且发现高熵合金在77开尔文低温下相对于常温有更好的断裂性能，因此他们推断在更低温度下材料的断裂韧性有可能会更好。

刘栋介绍：“我们开展实验前也有团队曾经尝试过，但大多以失败而告终，甚至有些实验不了了之。所谓希望越大失望越大，这也是Robert O. Ritchie一定坚持要到现场的原因。”

“这个实验我们做了两年多，也经历过挫折和挑战，但我们没有放弃，而是选择坚持到底。” 刘栋团队不仅最终完成了实验，还发现了精彩的断裂过程。

总而言之，为了同时增加强度、延展性和韧性，需要以完全正确的顺序激活多种应变硬化机制。这一基本观点适用于整个低温范围，hea和mea具有独特的条件来实现这一实际应用，因为它们拥有多个成分“表盘”，需要分别调节每个单独的机制，而不会对其他机制产生不利影响——在只包含一或两个主要元素的传统合金中，这可能是极其困难的。

“我们的实验结果显示，CrCoNi合金的裂纹扩展韧性值是有史以来最高的。”刘栋说，“这个材料将来会在极端寒冷的环境中有非常大的应用价值。”

刘栋博士毕业照（受访者供图）

不要被一个专业禁锢

“如果没有相关的力学、材料和物理知识，要完成这么高难度的实验，并完成对材料机理的解读，是非常困难的。”

12月1日，在接受记者采访前，刘栋刚给布里斯托尔大学物理学院大四学生上完一节应用材料物理学课。她称，如果学生能具备物理、材料以及力学基础，他们将拥有非常强大的知识组合，有利于进一步开展科研工作。

刘栋自己就是一位跨界学者。

基于这些研究理念，刘栋向英国1851皇家展览委员会提交了项目资金申请，免试入选并成为了皇家展览委员会布鲁诺研究员，前往牛津大学开展更进一步的研究。 

2016年，她申请到英国工程与物理科学研究基金会研究员项目，成为项目独立负责人。

2018年，刘栋成功申请到布里斯托大学物理学院永久教职。现在她已经靠自己获得的项目经费建立起了独立的研究团队，带领一支十多人的团队专门研究各种复杂材料在极端工况下的微观结构和力学行为。

2022年初，刘栋开始担任布里斯托大学物理学院材料与器件方向的负责人，并在2022年夏天成功晋升到Reader/Associate Professor职位。

“从土木工程到机械工程，再到物理学，横跨了三个专业，因为我不想让自己的视野局限在一个领域。”刘栋说，“我喜欢学习新的知识，也喜欢探索新领域。”

科学没有边界，学习永无止境。

刘栋表示，如今自己带领的团队有学化学的、学物理的、学材料的，不同专业的知识可以让他们不受单一专业的禁锢，在探索新事物过程中找到更好的解决方案。

实际上，中熵和高熵合金是具有三种或更多等量的成分的金属材料类别。那些以Cr，Co和Ni作为主要元素设计的合金显示出很高的抗损坏性，这引发了对能够承受极端环境（例如极低温度）的CrCoNi基合金的寻找。但是，设计具有低温韧性的合金源于了解裂纹的扩展（断裂性能）和材料抗断裂性的基础机制，即其韧性。例如，具有面心立方（fcc）结构的金属通常在低温下表现出优异的韧性。

基于CrCoNi的HEAs表现出多种变形途径：位错介导的塑性、孪晶诱导的塑性，以及在特定合金中相变诱导的塑性(TRIP)。在三元CrCoNi合金和非等原子HEAs中，由于其明显较低的堆垛层错能，已经报道了涉及fcc向六方密排(hcp)转变的TRIP效应；然而，到目前为止，还没有明确的证据表明在经典等原子CrMnFeCoNi Cantor HEA中存在这样的变形诱导(在环境压力下)相变。

在此，研究者提供的分析证据表明，在非常高的应变率加载下，Cantor合金中可以观察到TRIP效应；研究表明，在高应变和/或提高应变率时，一种额外的、但更罕见的变形机制出现了，即固态非晶化，这似乎是极端加载条件下结构转变的一个特征。层错和孪晶，沿{111}平面的协调传播产生高变形区，这些高变形区可重组为六边形包体；当这些区域的缺陷密度达到临界水平时，它们会产生非晶材料岛。这些区域具有出色的机械性能，提供额外的强化和/或增韧机制，以提高这些合金承受极端载荷的能力。

图1  CrCoNi和CrMnFeCoNi合金的J-R曲线和断裂韧性值随温度的变化规律。

R曲线显示(a) CrMnFeCoNi HEA和(B) CrCoNi MEA在室温(RT， ~293 K)到20 K之间j积分作为裂纹扩展函数Δa的变化。根据r曲线反向计算的相应断裂韧性值见(C) CrMnFeCoNi和(D) CrCoNi，其中KJIc表示裂纹萌生韧性，Kss表示裂纹扩展韧性，定义为有效裂纹扩展的ASTM E1820最大极限，其中Δa = 2.25 mm。注意两种合金在20 K下的韧性是如何高于其他温度下的。CrCoNi合金的韧性值被认为是有史以来报告的最高韧性之一。

图2  CrCoNi基合金的显微组织和断口形貌。

EBSD扫描显示(A) CrMnFeCoNi和(B) CrCoNi合金的等轴单相组织。与IPF着色相关的样品方向是与EBSD扫描平面法线方向。这两种合金的断裂都是由微孔聚结引起的。CrCoNi中这种韧性断裂的例子显示在(C) 293 K和(D) 20 K。

图3  EBSD图 

图像质量(IQ)和(B)反极点图(IPF)图，显示了CrCoNi合金在20 K下的断裂路径和伴随的变形行为。对于从左向右延伸的断裂，主要的平面应变截面(取于紧拉试样的中厚处)显示了直接位于裂纹尖端(塑性区内)的严重变形区域的微观结构。与IPF着色相关的样品方向是与EBSD扫描平面法线方向。

图4  293和20 K时CrCoNi合金断口附近形变组织的HRTEM和4D-STEM表征。

图5  关于断裂韧性Kc和屈服强度σy的Ashby图，适用于广泛的材料类别。

值得注意的是，CrCoNi基中高熵合金的断裂韧性，这似乎是有记录以来最高的。(图中包含的除CrCoNi基合金外的其他材料的韧性结果是在环境温度下测量的。)PC, PC(聚碳酸酯)塑料制成的;聚乙烯、聚乙烯;PET，聚对苯二甲酸乙二醇酯;聚丙烯、聚丙烯;PS,聚苯乙烯;聚四氟乙烯,聚四氟乙烯。

总而言之，为了同时增加强度、延展性和韧性，需要以完全正确的顺序激活多种应变硬化机制。这一基本观点适用于整个低温范围，hea和mea具有独特的条件来实现这一实际应用，因为它们拥有多个成分“表盘”，需要分别调节每个单独的机制，而不会对其他机制产生不利影响——在只包含一或两个主要元素的传统合金中，这可能是极其困难的。

相关论文信息：

https://www.science.org/doi/10.1126/science.abp8070

https://www.science.org/doi/10.1126/science.adf2205