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

　　

图1 β″析出相(1-4)被位错（i-iv）切过的原位透射电镜纳米力学实验视频截图

图2 β″和β?两种不同析出相与位错的不同交互作用结果的离位透射电镜及APT表征结果，（a，b）中的样品取自两个不同宏观拉伸样品距断口尖端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β?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 β? 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：https://doi.org/10.1016/j.actamat.2021.117310。

　　对于汽车轻量化板材所用的Al-Mg-Si合金，共格β″和半共格β?纳米析出相是最主要的强化相，其对位错运动的阻碍作用使得合金强度提升。然而，目前学界关于β″相是被位错切过还是绕过以及对应的临界尺寸尚存争议，且对于β″和β?相在拉伸等变形过程中的其他力学行为缺乏认识。这些问题的解决，对进一步推动铝合金集成计算材料工程的发展至关重要。

　　为解决以上问题，研究团队首先通过原位透射电镜纳米力学实验，清楚地观察到β″析出相被位错切过的过程（见图1）。由于该样品只含β″相且其几乎是所有文献报道中最粗大的，故可以推断β″相在全尺寸范围内均可被位错切过。通过在透射电镜中对宏观拉伸样品断口进行离位观察分析，发现β″相在样品拉伸变形过程中还发生了破碎和旋转（如图2a）。通过耦合透射电镜和原子探针层析（APT）技术对β″和β?两种析出相共存的另一拉伸断口样品进行分析（见图2b-e），进一步证实了β″相的破碎与旋转，并发现β?相经过类似的拉伸变形后仍有很大概率能保持较为完整的针状形貌，或虽然部分破碎但其针状形貌仍可辨认。团队分析多方面的实验证据后指出析出相与基体的共格度影响其力学行为，共格度更低的析出相在位错一次切过后其界面能升高，因而难以在同一位置多次切过（更难破碎和旋转），同时指出析出相旋转的最可能机制为析出相与基体间的界面滑动。

　　该工作阐明了共格针状析出相β″和半共格针状析出相β?在合金拉伸变形过程中“易于破碎并可旋转”及“较难破碎”的迥异力学行为，提出了“共格析出相被位错切碎 → 碎片在扩散作用下通过界面滑动而发生旋转”的新机制，在不久的将来有望催生铝合金抗拉强度模拟预测的新理论、新模型。