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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(tu)1 β″析(xi)出相(1-4)被位错(cuo)(i-iv)切过的原位透(tou)射电镜纳米(mi)力(li)学实验视频截图(tu)

    图2 β″和βʹ两种不同(tong)析出相与位错的不同(tong)交互作用结果的离(li)位透射电镜及APT表(biao)征结果,(a,b)中的样品(pin)取自两个不同(tong)宏观(guan)拉(la)伸样品(pin)距断(duan)口(kou)尖端0.2毫米处

      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。

      对于汽车轻(qing)量化板材所用(yong)(yong)的(de)(de)Al-Mg-Si合金(jin),共格β″和半(ban)共格βʹ纳米析出相(xiang)是最主(zhu)要的(de)(de)强化相(xiang),其对位错(cuo)运动(dong)的(de)(de)阻碍作用(yong)(yong)使(shi)得合金(jin)强度提升。然而(er),目前(qian)学界关(guan)(guan)于β″相(xiang)是被位错(cuo)切过还(hai)是绕(rao)过以及对应的(de)(de)临界尺寸(cun)尚存争议(yi),且对于β″和βʹ相(xiang)在(zai)拉伸等(deng)变形(xing)过程(cheng)中(zhong)的(de)(de)其他力学行为缺乏认识。这些问(wen)题(ti)的(de)(de)解决,对进一步推动(dong)铝合金(jin)集(ji)成计算(suan)材料工程(cheng)的(de)(de)发展至关(guan)(guan)重要。

      为(wei)解决(jue)以上问题,研(yan)究团队首先(xian)通过(guo)(guo)原位(wei)透(tou)射(she)(she)电镜(jing)纳米力学(xue)(xue)实(shi)验,清楚地观(guan)察到(dao)β″析(xi)(xi)出(chu)(chu)(chu)相(xiang)(xiang)(xiang)被(bei)(bei)位(wei)错切过(guo)(guo)的(de)(de)(de)过(guo)(guo)程(cheng)(cheng)(见图1)。由于该样(yang)品(pin)(pin)(pin)只含β″相(xiang)(xiang)(xiang)且其(qi)(qi)(qi)几(ji)乎(hu)是(shi)所有文献报道中最粗(cu)大(da)的(de)(de)(de),故可(ke)以推断β″相(xiang)(xiang)(xiang)在(zai)全尺寸范围内均(jun)可(ke)被(bei)(bei)位(wei)错切过(guo)(guo)。通过(guo)(guo)在(zai)透(tou)射(she)(she)电镜(jing)中对宏(hong)观(guan)拉(la)(la)伸(shen)样(yang)品(pin)(pin)(pin)断口(kou)进行离位(wei)观(guan)察分析(xi)(xi),发(fa)现(xian)β″相(xiang)(xiang)(xiang)在(zai)样(yang)品(pin)(pin)(pin)拉(la)(la)伸(shen)变形(xing)过(guo)(guo)程(cheng)(cheng)中还发(fa)生了破碎和(he)旋转(zhuan)(zhuan)(如(ru)图2a)。通过(guo)(guo)耦合透(tou)射(she)(she)电镜(jing)和(he)原子探针层析(xi)(xi)(APT)技术对β″和(he)βʹ两(liang)种析(xi)(xi)出(chu)(chu)(chu)相(xiang)(xiang)(xiang)共(gong)存的(de)(de)(de)另一拉(la)(la)伸(shen)断口(kou)样(yang)品(pin)(pin)(pin)进行分析(xi)(xi)(见图2b-e),进一步(bu)证(zheng)实(shi)了β″相(xiang)(xiang)(xiang)的(de)(de)(de)破碎与旋转(zhuan)(zhuan),并发(fa)现(xian)βʹ相(xiang)(xiang)(xiang)经过(guo)(guo)类似(si)的(de)(de)(de)拉(la)(la)伸(shen)变形(xing)后仍有很大(da)概率能保(bao)持较(jiao)为(wei)完整(zheng)的(de)(de)(de)针状(zhuang)形(xing)貌(mao)(mao),或虽然部分破碎但其(qi)(qi)(qi)针状(zhuang)形(xing)貌(mao)(mao)仍可(ke)辨认。团队分析(xi)(xi)多(duo)方面(mian)的(de)(de)(de)实(shi)验证(zheng)据后指出(chu)(chu)(chu)析(xi)(xi)出(chu)(chu)(chu)相(xiang)(xiang)(xiang)与基体的(de)(de)(de)共(gong)格(ge)度(du)影响其(qi)(qi)(qi)力学(xue)(xue)行为(wei),共(gong)格(ge)度(du)更低(di)的(de)(de)(de)析(xi)(xi)出(chu)(chu)(chu)相(xiang)(xiang)(xiang)在(zai)位(wei)错一次切过(guo)(guo)后其(qi)(qi)(qi)界(jie)面(mian)能升高,因而(er)难以在(zai)同(tong)一位(wei)置多(duo)次切过(guo)(guo)(更难破碎和(he)旋转(zhuan)(zhuan)),同(tong)时(shi)指出(chu)(chu)(chu)析(xi)(xi)出(chu)(chu)(chu)相(xiang)(xiang)(xiang)旋转(zhuan)(zhuan)的(de)(de)(de)最可(ke)能机制(zhi)为(wei)析(xi)(xi)出(chu)(chu)(chu)相(xiang)(xiang)(xiang)与基体间的(de)(de)(de)界(jie)面(mian)滑动。

      该工作(zuo)阐明了共格(ge)针(zhen)状析(xi)出(chu)相(xiang)β″和半共格(ge)针(zhen)状析(xi)出(chu)相(xiang)βʹ在(zai)合金(jin)(jin)拉(la)伸变形过(guo)(guo)程中“易于破碎(sui)(sui)并可旋转(zhuan)”及“较难(nan)破碎(sui)(sui)”的(de)迥异(yi)力(li)学行(xing)为,提出(chu)了“共格(ge)析(xi)出(chu)相(xiang)被(bei)位错切碎(sui)(sui) → 碎(sui)(sui)片在(zai)扩(kuo)散(san)作(zuo)用下通过(guo)(guo)界(jie)面滑动而发生(sheng)旋转(zhuan)”的(de)新机(ji)制,在(zai)不(bu)久的(de)将来有望(wang)催生(sheng)铝合金(jin)(jin)抗拉(la)强(qiang)度(du)模拟预测的(de)新理论、新模型。




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