1997 年上映的电影《泰坦尼克号》，给很多观众留下了终生难忘的印象。它不仅展现了一个凄美动人的爱情故事，也是根据真实事件改编而成的。

1912 年，巨型豪华游轮泰坦尼克号从英国南安普顿出发，去往目的地美国纽约。其在途经北大西洋海域的过程中与冰山相撞，由于船舶钢在低温下抗断裂能力不足，最终导致船体断裂并沉入海底。

这个悲剧事件的发生，说明了在极低温度下具有良好断裂性能的结构材料，对低温承重应用领域的重要性。但是，由于大多数金属材料的韧性，都与温度的变化相相关，所以科学家们依然在不懈地寻找着具备目标性能的合金材料。

近年来，由三种或三种以上等量金属形成的中熵和高熵合金，得到了科学家们越来越多的关注，尤其是基于铬钴镍（CrCoNi）体系的单相、面心立方晶格等原子合金。这些合金在低温环境下，拥有良好的损伤容限。

在此基础上，英国布里斯托尔大学物理学院副教授带领团队，与来自美国加州大学伯克利分校、澳大利亚新南威尔士大学、美国橡树岭国家实验室等研究机构的合作者，对 CrCoNi 和铬锰铁钴镍（CrMnFeCoNi）合金在 20 开尔文（Kelvins，K）下的断裂韧性展开研究，并揭示了导致这种韧性的变形机制。

打开网易新闻 查看精彩图片

图丨刘栋（来源：）

他们也发现，裂纹尖端变形结构，在 20K 下和在较高温度下是完全不同的。此外，基于 CrCoNi 基合金的材料，有望在液态氢储存应用、两极科考船、太空探索等领域获得广泛应用。

2022 年 12 月 1 日，相关论文以《CrCoNi 基中熵和高熵合金在 20 开尔文下的优异断裂韧性》（）为题在 Science 上发表 [1]。

图丨相关论文（来源：Science）

和加州大学伯克利分校博士后于秦为论文的共同第一作者，英国皇家工程院院士、加州大学伯克利分校材料科学与工程系罗伯特·里奇（）教授为论文的通讯作者。

据介绍，这项研究前后经历了四年多时间。

起初，课题组先在英国卢瑟福•阿普尔顿实验室（Rutherford Appleton Laboratory，RAL），找到了能够完成 20K 下对试样进行加载并且能同时进行中子散射实验的设备。

“科学家们通常使用这个设备开展相对简单的拉伸实验，因此，要想用它来做我们设想的复杂断裂韧性实验，就必须重新改进一些设计，这涉及到试样必须符合美国材料实验协会的标准等。”说。

她以实验的设计理念为基础，向 RAL 提交了设备使用申请，并在接下来的两年时间里，完成了整个实验过程。实验结束后，她和团队开展了结果分析，并完成论文向 Science 投稿。

打开网易新闻 查看精彩图片

图丨 CrCoNi 基合金的显微组织和断口形貌（来源：Science）

该论文的三个审稿人都给予了非常正面的评价，不仅认为这项实验是一个突破，还表示这个在低温下拥有优异韧性的材料，推动了现代工程的进步。同时，审稿人也给出了一个补充建议，即可以再增加一个低温拉伸试验。

“其实他们并没有要求我们必须附加这个实验，但收到这个建议后，本着把研究做全、做好、做准确的态度，我们还是决定再补充两个实验。”表示。

在该论文发表的基础上，Science 还邀请了中国科学院金属研究所张鹏研究员和员，撰写了题为《在严寒中变得更坚强》（Getting tougher in the ultracold）的评述文章 [2]。

该文章认为，这项研究验证了在优化金属材料低温韧性时，应该遵循的三个主要原则，即抑制脆性断裂发生、通过减少故障能量来改善塑性工作，以及保证塑性工作不会因为相变而降低。

打开网易新闻 查看精彩图片

图丨 293 和 20K 下断裂表面附近 CrCoNi 合金变形微观结构的 HRTEM 和 4D-STEM 表征（来源：Science）

在看来，这项研究之所以能够成功，离不开团队间的通力合作。“研究者们来自不同的科研机构，各自处于不同的科研分支领域，每个人都做出了自己的贡献。”

她认为，科研团队应该积极开展对外的学术交流与合作，这样才能做出远超于自身能力的研究。

同时，值得一提的是，为了能够利用简明扼要的方法讲清断裂力学这门学科，还共同撰写了一本于 2021 年 5 月出版的、名为《断裂力学概论》（Introduction to Fracture Mechanics）的书籍（Elsevier 出版社，160 页）。

表示：“如果国内的学者想鼓励年轻学生和学者在断裂力学方面深入学习，可以考虑为他们写一本结合现代应用、简明扼要但抓住学科精髓的参考书。目前国内有学者计划把我们的书翻译成中文，大家到时候也可以参考。”

此外，她还强调了打好专业基础的重要性。“只有把基础的知识学好，才能做别人不愿意去做或者觉得困难的事情，这才可能挖掘出对事物更深层的理解和解释。”

参考资料：

1.D., Liu, Q., Yu, S., Kabra, M., Jiang. et al. Exceptional fracture toughness of CrCoNi-based medium- and high-entropy alloys at 20 kelvin. Science 378, 6623， 978-983(2022). https://doi.org/10.1126/science.abp8070

2.P., Zhang, Z., Zhang. Getting tougher in the ultracold. Science 378,6623

947-948 (2022). https://www.science.org/doi/10.1126/science.adf2205

打开网易新闻 查看精彩图片