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    我国学者解密铝合金变形过程中针状纳米析出相与位错的交互作用机理

    日期 2020-11-19   来源:工程与材料科学部   作者:陈克新 方方  【 】   【打印】   【关闭

    图1 β″析出相(1-4)被位(wei)错(i-iv)切(qie)过的原位(wei)透射电镜纳米力学实验视频(pin)截图

    图2 β″和βʹ两种不同(tong)析出相与(yu)位错(cuo)的不同(tong)交互作用结果的离(li)位透射电(dian)镜及(ji)APT表征结果,(a,b)中的样(yang)品取自两个不同(tong)宏观拉伸样(yang)品距断口尖端(duan)0.2毫米处(chu)

      在国家自然科学基金项目(批准号:52071340、51820105001、51531009、51711530713)等资助下,中南大学粉末冶金国家重点实验室杜勇教授团队杨明军博士生、李凯副教授等在铝合金针状纳米析出相的力学行为及其机制研究方面取得进展。相关研究成果以“铝镁硅合金中β″和βʹ析出相在拉伸过程中的剪切和旋转:原位及离位研究(Shearing and rotation of β″ and βʹ precipitates in an Al-Mg-Si alloy under tensile deformation: In-situ and ex-situ studies)”为题,于2021年11月发表在《材料学报》(Acta Materialia)杂志上,论文链接:http://doi.org/10.1016/j.actamat.2021.117310。

      对(dui)于汽车轻(qing)量(liang)化板材所用的(de)Al-Mg-Si合金(jin),共格β″和半共格βʹ纳米析出相(xiang)是最主要的(de)强化相(xiang),其(qi)对(dui)位(wei)(wei)错运动的(de)阻碍作(zuo)用使得(de)合金(jin)强度提升。然而,目前学界关(guan)于β″相(xiang)是被位(wei)(wei)错切过还(hai)是绕过以及(ji)对(dui)应的(de)临界尺(chi)寸尚(shang)存争议,且对(dui)于β″和βʹ相(xiang)在拉(la)伸等(deng)变(bian)形(xing)过程(cheng)中(zhong)的(de)其(qi)他力学行为缺乏认(ren)识。这(zhei)些问(wen)题的(de)解决,对(dui)进一步推动铝合金(jin)集成计算(suan)材料工程(cheng)的(de)发展至关(guan)重要。

      为(wei)解决以上(shang)问题(ti),研(yan)究团(tuan)队首先通(tong)过(guo)(guo)(guo)(guo)原(yuan)位(wei)透射(she)电(dian)镜(jing)纳米力学(xue)实验(yan),清楚地观(guan)察(cha)(cha)到β″析(xi)出(chu)相(xiang)(xiang)被位(wei)错(cuo)切(qie)过(guo)(guo)(guo)(guo)的(de)(de)(de)(de)过(guo)(guo)(guo)(guo)程(cheng)(见(jian)图1)。由于(yu)该样(yang)(yang)(yang)品只(zhi)含(han)β″相(xiang)(xiang)且其几乎是所有文献报(bao)道(dao)中(zhong)(zhong)(zhong)最粗(cu)大的(de)(de)(de)(de),故可以推断β″相(xiang)(xiang)在全尺寸范围内均可被位(wei)错(cuo)切(qie)过(guo)(guo)(guo)(guo)。通(tong)过(guo)(guo)(guo)(guo)在透射(she)电(dian)镜(jing)中(zhong)(zhong)(zhong)对宏(hong)观(guan)拉(la)伸(shen)样(yang)(yang)(yang)品断口(kou)进行(xing)离位(wei)观(guan)察(cha)(cha)分(fen)析(xi),发现β″相(xiang)(xiang)在样(yang)(yang)(yang)品拉(la)伸(shen)变(bian)形(xing)过(guo)(guo)(guo)(guo)程(cheng)中(zhong)(zhong)(zhong)还发生了破碎和(he)旋(xuan)转(如图2a)。通(tong)过(guo)(guo)(guo)(guo)耦合透射(she)电(dian)镜(jing)和(he)原(yuan)子探(tan)针层析(xi)(APT)技(ji)术对β″和(he)βʹ两种析(xi)出(chu)相(xiang)(xiang)共(gong)存的(de)(de)(de)(de)另一拉(la)伸(shen)断口(kou)样(yang)(yang)(yang)品进行(xing)分(fen)析(xi)(见(jian)图2b-e),进一步证实了β″相(xiang)(xiang)的(de)(de)(de)(de)破碎与旋(xuan)转,并发现βʹ相(xiang)(xiang)经过(guo)(guo)(guo)(guo)类似的(de)(de)(de)(de)拉(la)伸(shen)变(bian)形(xing)后(hou)仍有很大概率能(neng)保(bao)持较为(wei)完整的(de)(de)(de)(de)针状形(xing)貌(mao),或虽然部(bu)分(fen)破碎但其针状形(xing)貌(mao)仍可辨(bian)认(ren)。团(tuan)队分(fen)析(xi)多(duo)方面的(de)(de)(de)(de)实验(yan)证据后(hou)指出(chu)析(xi)出(chu)相(xiang)(xiang)与基(ji)体的(de)(de)(de)(de)共(gong)格度(du)影(ying)响其力学(xue)行(xing)为(wei),共(gong)格度(du)更(geng)(geng)低的(de)(de)(de)(de)析(xi)出(chu)相(xiang)(xiang)在位(wei)错(cuo)一次(ci)(ci)切(qie)过(guo)(guo)(guo)(guo)后(hou)其界面能(neng)升(sheng)高(gao),因而难(nan)以在同(tong)一位(wei)置多(duo)次(ci)(ci)切(qie)过(guo)(guo)(guo)(guo)(更(geng)(geng)难(nan)破碎和(he)旋(xuan)转),同(tong)时指出(chu)析(xi)出(chu)相(xiang)(xiang)旋(xuan)转的(de)(de)(de)(de)最可能(neng)机制为(wei)析(xi)出(chu)相(xiang)(xiang)与基(ji)体间(jian)的(de)(de)(de)(de)界面滑动。

      该(gai)工作阐明(ming)了共(gong)格针状(zhuang)析出相(xiang)β″和半共(gong)格针状(zhuang)析出相(xiang)βʹ在(zai)合(he)金拉伸(shen)变(bian)形过程中(zhong)“易于破碎(sui)并可旋(xuan)转”及“较(jiao)难(nan)破碎(sui)”的迥(jiong)异力(li)学行为,提出了“共(gong)格析出相(xiang)被位错切碎(sui) → 碎(sui)片在(zai)扩散作用下通过界(jie)面滑动(dong)而发生旋(xuan)转”的新机制,在(zai)不久的将来有望催生铝合(he)金抗拉强(qiang)度(du)模(mo)拟预测的新理论、新模(mo)型。




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张哲瀚
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