由铌、钽、钛和铪组成的金属合金以其在极热和极冷温度下令人印象深刻的强度和韧性震惊了材料科学家，这些性能的组合迄今为止似乎几乎不可能实现。在这种情况下，强度定义为材料在从其原始形状永久变形之前可以承受多少力，韧性是其抗断裂(开裂)的能力。
该合金在各种条件下的弯曲和断裂弹性可能为下一代发动机的新料打开大门，这种材料可以以更高的效率运行。
该团队由劳伦斯伯克利国家实验室(伯克利实验室)和加州大学伯克利分校的罗伯特·里奇(RobertRitchie)领导，与加州大学欧文分校的DiranApelian教授和德克萨斯农工大学的恩里克·拉维尼亚(EnriqueLavernia)教授领导的团队合作，发现了这种合金的令人惊讶的特性，然后弄清楚了它们是如何从原子结构中的相互作用中产生的。发表在《科学》杂志上的一项研究描述了他们的工作。
“将热能转化为电能或推力的效率取决于燃料燃烧的温度——越热越好。然而，工作温度受到必须承受的结构材料的限制，”第一作者DavidCook博士说。里奇实验室的学生。“我们已经耗尽了进一步优化目前在高温下使用的材料的能力，并且非常需要新型金属材料。这就是这种合金所展现出的前景。”
本研究中的合金来自一种新型金属，称为难熔高熵或中熵合金(RHEA/RMEA)。我们在商业或工业应用中看到的大多数金属都是由一种主要金属与少量其他元素混合制成的合金，但RHEA和RMEA是通过将几乎等量的金属元素混合制成的，并且熔化温度非常高，这使得它们科学家们仍在解开的独特性质。由于这些合金在高温应用方面的潜力，里奇的团队多年来一直在研究这些合金。
“我们的团队之前对RHEA和RMEA进行了研究，我们发现这些材料非常坚固，但通常具有极低的断裂韧性，这就是为什么当这种合金表现出异常高的韧性时我们感到震惊，”共同通讯作者说PunitKumar，该小组的博士后研究员。
据库克介绍，大多数RMEA的断裂韧性低于10MPa√m，这使得它们成为有记录以来最脆的金属之一。最好的低温钢经过专门设计以抵抗断裂，其韧性比这些材料大约高20倍。然而，铌、钽、钛和铪(Nb45Ta25Ti15Hf15)RMEA合金甚至能够击败低温钢，其在室温下的韧性比典型RMEA强25倍以上。
但发动机无法在室温下运行。科学家们评估了总共五个温度下的强度和韧性：-196°C(液氮温度)、25°C(室温)、800°C、950°C和1200°C。最后的温度约为太阳表面温度的1/5。
研究小组发现，该合金在寒冷时具有最高的强度，随着温度的升高而变得稍微弱一些，但在整个范围内仍然拥有令人印象深刻的数字。断裂韧度(根据传播材料中现有裂纹所需的力计算得出)在所有温度下都很高。
揭示原子排列
几乎所有金属合金都是晶体，这意味着材料内部的原子以重复单元排列。然而，没有任何晶体是完美的，它们都存在缺陷。移动的最突出的缺陷称为位错，它是晶体中未完成的原子平面。当对金属施加力时，会导致许多位错移动以适应形状变化。例如，当您弯曲铝制回形针时，回形针内部位错的移动会适应形状变化。然而，位错的移动在较低温度下变得更加困难，因此许多材料在低温下变得脆，因为位错不能移动。这就是泰坦尼克号撞上冰山时钢制船体破裂的原因。熔化温度高的元素及其合金将这一点发挥到了极致，许多元素甚至在800°C的高温下仍保持脆性。然而，这种RMEA却逆势而行，即使在低至液氮(-196°C)的温度下也能承受折断。
为了了解这种非凡金属内部发生的情况，联合研究员AndrewMinor和他的团队使用四维扫描透射电子显微镜(4D-STEM)和扫描透射电子显微镜(STEM)分析了受应力样品以及未弯曲和未破裂的对照样品。)位于国家电子显微镜中心，伯克利实验室分子铸造厂的一部分。
电子显微镜数据显示，该合金异常的韧性来自一种罕见缺陷(称为扭结带)的意外副作用。当施加的力导致晶体条自身塌陷并突然弯曲时，晶体中就会形成扭结带。这些条带中晶体弯曲的方向增加了位错感受到的力，使它们更容易移动。在整体水平上，这种现象会导致材料软化(意味着在材料变形时必须向材料施加较小的力)。研究小组从过去的研究中得知，RMEA中很容易形成扭结带，但他们假设软化效应会使裂纹更容易在晶格中扩散，从而降低材料的韧性。但实际上，情况并非如此。
库克说：“我们首次证明，在原子之间存在尖锐裂纹的情况下，扭结带实际上可以通过分散损伤来阻止裂纹的扩展，从而防止断裂并导致极高的断裂韧性。”
Ritchie表示，在用Nb45Ta25Ti15Hf15合金制造喷气式飞机涡轮机或SpaceX火箭喷嘴等产品之前，需要进行更多的基础研究和工程测试，因为机械工程师理所当然地需要深入了解他们的材料在现实世界中使用之前的表现如何。然而，这项研究表明这种金属有潜力制造未来的发动机。