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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)被位错(cuo)(i-iv)切过的原位透射电镜纳米力学实验视频截图

    图(tu)2 β″和βʹ两种不同析出相与位(wei)错(cuo)的不同交互作用结(jie)果的离(li)位(wei)透射(she)电镜(jing)及APT表征(zheng)结(jie)果,(a,b)中的样品(pin)取自两个不同宏(hong)观(guan)拉(la)伸样品(pin)距断口尖端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(dui)于汽车轻量化板材所用(yong)的(de)Al-Mg-Si合(he)金,共格(ge)β″和半(ban)共格(ge)βʹ纳米析出相是最主要的(de)强化相,其对(dui)位错运动的(de)阻碍作用(yong)使得合(he)金强度提升。然(ran)而,目前学界关于β″相是被位错切过还是绕(rao)过以及对(dui)应的(de)临界尺寸尚存(cun)争(zheng)议,且对(dui)于β″和βʹ相在拉伸等(deng)变(bian)形过程(cheng)中的(de)其他力(li)学行为(wei)缺乏认识(shi)。这(zhei)些(xie)问题的(de)解决,对(dui)进一(yi)步(bu)推动铝合(he)金集(ji)成计算材料(liao)工程(cheng)的(de)发展至关重要。

      为解(jie)决以上问题(ti),研究团队(dui)(dui)首先通(tong)过(guo)原位(wei)透(tou)射电(dian)(dian)镜(jing)纳米力(li)学(xue)实(shi)验,清楚地观察(cha)到β″析(xi)出(chu)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)被位(wei)错切过(guo)的(de)过(guo)程(cheng)(见图1)。由于(yu)该(gai)样品只(zhi)含β″相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)且其(qi)几乎是所(suo)有文献报(bao)道中最(zui)粗大的(de),故可(ke)(ke)以推断β″相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)在(zai)全(quan)尺寸范(fan)围内均可(ke)(ke)被位(wei)错切过(guo)。通(tong)过(guo)在(zai)透(tou)射电(dian)(dian)镜(jing)中对(dui)宏观拉伸(shen)(shen)样品断口进(jin)(jin)行离位(wei)观察(cha)分(fen)(fen)析(xi),发现(xian)β″相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)在(zai)样品拉伸(shen)(shen)变(bian)形(xing)过(guo)程(cheng)中还发生(sheng)了破(po)(po)碎和旋转(zhuan)(如图2a)。通(tong)过(guo)耦合(he)透(tou)射电(dian)(dian)镜(jing)和原子探针层析(xi)(APT)技术对(dui)β″和βʹ两种析(xi)出(chu)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)共存的(de)另一拉伸(shen)(shen)断口样品进(jin)(jin)行分(fen)(fen)析(xi)(见图2b-e),进(jin)(jin)一步证实(shi)了β″相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)的(de)破(po)(po)碎与旋转(zhuan),并(bing)发现(xian)βʹ相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)经过(guo)类似的(de)拉伸(shen)(shen)变(bian)形(xing)后(hou)仍有很大概(gai)率能(neng)保持较(jiao)为完整(zheng)的(de)针状形(xing)貌,或虽然部分(fen)(fen)破(po)(po)碎但其(qi)针状形(xing)貌仍可(ke)(ke)辨认。团队(dui)(dui)分(fen)(fen)析(xi)多(duo)方面的(de)实(shi)验证据后(hou)指(zhi)出(chu)析(xi)出(chu)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)与基体(ti)(ti)的(de)共格(ge)度影响其(qi)力(li)学(xue)行为,共格(ge)度更低(di)的(de)析(xi)出(chu)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)在(zai)位(wei)错一次(ci)切过(guo)后(hou)其(qi)界面能(neng)升高,因而难以在(zai)同一位(wei)置多(duo)次(ci)切过(guo)(更难破(po)(po)碎和旋转(zhuan)),同时指(zhi)出(chu)析(xi)出(chu)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)旋转(zhuan)的(de)最(zui)可(ke)(ke)能(neng)机制(zhi)为析(xi)出(chu)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)与基体(ti)(ti)间的(de)界面滑动。

      该工作阐(chan)明了(le)共(gong)格(ge)针(zhen)状析出相(xiang)(xiang)β″和(he)半(ban)共(gong)格(ge)针(zhen)状析出相(xiang)(xiang)βʹ在合(he)金拉(la)伸(shen)变形过程中“易于破(po)碎并(bing)可旋(xuan)转”及“较(jiao)难破(po)碎”的(de)(de)(de)迥异力(li)学行为,提出了(le)“共(gong)格(ge)析出相(xiang)(xiang)被(bei)位错切碎 → 碎片在扩散(san)作用下通过界面滑(hua)动而(er)发生旋(xuan)转”的(de)(de)(de)新(xin)机制,在不久的(de)(de)(de)将来有望催生铝(lv)合(he)金抗拉(la)强(qiang)度(du)模拟预测的(de)(de)(de)新(xin)理论、新(xin)模型。




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