这种合金很古怪

一种金属合金被发现在极端温度下不会出现开裂，这是因为合金中晶体的弯曲造成了其抗裂性。这种合金由铌、钽、钛和铪组成，在极热和极冷温度下表现出卓越的强度和韧性，这一组合在以往被认为几乎不可能实现。研究人员指出，合金的强度是指材料在永久变形之前能承受多大的力，而韧性则是指其抗断裂（开裂）的能力。这种合金在极端条件下对折弯和开裂的抵抗力打开了用于下一代引擎的新型材料的大门。

研究团队由劳伦斯伯克利国家实验室（Berkeley Lab）和加州大学伯克利分校的罗伯特·里奇（Robert Ritchie）领导，在与加州大学爱尔湾分校的迪兰·阿佩利安（Diran Apelian）和得克萨斯A&M大学的恩里克·拉维尼亚（Enrique Lavernia）教授带领的小组合作下，发现了这种合金的惊人性质，并找出了这些性质是如何在原子结构中产生的。他们的工作在2024年4月11日发表在《科学》杂志上。

该合金属于一种称为难熔高熵合金（RHEAs/RMEAs）的新金属类别。大多数商业或工业应用中的金属合金都是由一个主要金属与少量其他元素混合而成的，但难熔高熵合金则是通过混合近乎相等量的具有非常高熔点的金属元素制成，这赋予了它们科学家们仍在揭示的独特性质。里奇的团队已经多年来一直在研究这些合金，因为它们有潜力用于高温应用。

根据库克的说法，大多数难熔高熵合金的断裂韧性都小于10 MPa√m，使它们成为记录中最脆弱的金属之一。然而，这种铌、钽、钛和铪（Nb45Ta25Ti15Hf15）合金在室温下甚至击败了低温钢，具有超过25倍于典型难熔高熵合金的韧性。

研究人员评估了合金在-196°C（液氮温度）、25°C（室温）、800°C、950°C和1200°C共五个温度下的强度和韧性。结果显示，该合金在寒冷条件下拥有最高强度，并在温度升高时略微减弱，但在整个温度范围内仍然表现出色。断裂韧性在所有温度下都很高。

电子显微镜数据揭示，合金的异常韧性来自于一种罕见缺陷——折曲带（kink band）。当外力导致晶体条带折叠并突然弯曲时，就形成了折曲带。这些带的弯曲方向增加了位错感受到的力，导致位错更容易移动。这一现象使材料软化（即在变形时需要施加更少的力），并且抑制裂纹扩展，从而导致了极高的断裂韧性。

这项研究表明，这种合金有望成为未来发动机的材料，但其需经过更多基础研究和工程测试。这项研究由David H. Cook、Punit Kumar、Madelyn I. Payne、Calvin H. Belcher、Pedro Borges、Wenqing Wang、Flynn Walsh、Zehao Li、Arun Devaraj、Mingwei Zhang、Mark Asta、Andrew M. Minor、Enrique J. Lavernia、Diran Apelian和Robert O. Ritchie等科学家完成，资助单位为美国能源部（DOE）科学办公室。实验和计算分析是在分别由DOE科学办公室管理的分子铸造中心和国家能源研究科学计算中心进行的。