金屬所研究人員在Science期刊發表金屬材料低溫韌性優化原則評論文章

　　低溫環境下，金屬材料通常易于變脆并導致災難性事故。110年前泰坦尼克號災難性斷裂事故正是由于鋼在低溫下抗斷裂能力不足造成的，盡管這是現代工業文明中的悲劇，但也促進了斷裂力學和材料科學技術的發展和進步。此后，為防止此類悲劇再次發生，選擇具有優異低溫韌性的材料已成為低溫承載應用的重要先決條件。然而，大多數金屬材料隨溫度降低呈現出韌性下降的趨勢，在低溫下尋找高韌性合金仍然是一個重大的挑戰。最近，中國科學院金屬研究所張鵬研究員和張哲峰研究員應Science期刊邀請，發表了題為“Getting tougher in the ultra-cold”的評論文章，對超低溫環境下金屬材料韌化探索的研究現狀進行了評論，并提出了金屬材料強韌化三個原則。該評論文章于2022年12月1日在線發表(Vol. 378, Issue 6623, pp. 947)。

　　金屬材料的斷裂韌性代表了裂紋在材料中擴展至斷裂所消耗的能量。在韌性材料中，該能量由表面能與塑性功組成，且塑性功是決定斷裂韌性大小的關鍵。對于具有優異拉伸強度、塑性的金屬而言，其塑性功通常較高，可以展現出優異的斷裂韌性。張哲峰研究團隊前期基于Cu合金拉伸斷裂性能研究發現：降低層錯能可以同步提升其拉伸強度與塑性，并在大量面心立方金屬材料（如TWIP鋼、奧氏體不銹鋼、高熵合金等）中得以驗證。通過第一原理計算模擬，提出了同步提高面心立方金屬強度-塑性的三個原則：I）彈性模量高：可確保金屬原子間結合力足夠大，避免解理斷裂發生；II）層錯能低：可提高金屬塑性變形均勻性和塑性功；III）FCC相穩定性：確保不會因發生相變導致脆性斷裂。上述三個原則近期得到了美國Ritchie教授Science文章(Vol. 378, Issue 6623, pp. 978)的實驗驗證。他們發現具有較高彈性模量的CrCoNi系面心立方中、高熵合金，在液氦環境下使層錯能降低，實現了多級協同變形機制，并具有較高的FCC相穩定性，從而在20K超低溫下獲得了超高的斷裂韌性459 MPam1/2。

　　提出金屬材料強韌化原則可為篩選、制備具有優異強韌性金屬材料提供指導方向，通過與機器學習及第一原理模擬相結合，可避免無休止地盲目實驗和計算，為更高效地開發新型強韌性合金提供設計依據。