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强度提高10倍!揭秘纳米晶铝的变形机理

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本文制备的块状纳米晶纯铝的平均抗拉强度410 MPa,比常见的商用纯铝强度高至少十倍,总伸长率为10%,兼具了超高强度与延展性。

晶粒尺寸小于100 nm的纳米晶金属通常具有独特的性能,优于同类的粗晶。铝(Al)是一种用途广泛的金属,由于其较高的比强度,重量轻和耐腐蚀性而被认为是必不可少的工程材料。为了改善其机械性能,一些研究人员试图生产具有纳米级晶粒尺寸的Al。将晶粒尺寸减小到纳米级会导致极高的强度,这可能会触发在粗晶材料中未观察到的独特塑性变形机制。但是,几乎所有报道都是晶粒尺寸100nm至1μm的超细晶铝,关于块体纳米晶Al的力学性能则鲜见报道。

卡塔尔大学与明尼苏达大学在液氮和室温球磨过程中通过原位固结法合成了大块的纳米晶Al,研究表明,拉伸性能是由尺寸较大的纳米晶粒的位错,以及晶粒尺寸较小的纳米晶粒的部分位错和堆垛层错控制的形变孪晶决定。相关论文以题为“The activation of deformation mechanisms for improved tensile properties in nanocrystalline aluminum”于3月10日发表在Materials Science and Engineering A。

论文链接:

https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S092150932030157X

研究人员分析了纳米晶Al的拉伸行为,并将其与纳米结组织构特征相关联。与常规的粗晶商业纯铝相比,纳米晶体铝具有极高的拉伸强度,应变硬化速率和延展性。这种块状纳米晶Al的抗拉强度比常见的商用粗晶纯铝的强度高至少十倍,纳米晶Al样品的平均屈服强度高达375 MPa,平均拉伸强度为410 MPa,总伸长率为10%。实现了超高屈服和抗拉强度,同时具有良好的延展性和应变硬化性能。

图1(A)研磨6h后的纳米晶Al的明场TEM图像,显示了尺寸为10至55nm的纳米晶粒。右上角的插图是相应的选定区域衍射图样;(B)所有晶粒和包含孪晶的晶粒的晶粒尺寸分布

研究发现,纳米晶Al样品的平均伸长率和总伸长率分别为4.5%和10%。屈服后的纳米晶Al表现出比粗晶Al更高的应变硬化指数,0.132。采用HR-TEM观察相对较小的纳米晶粒(10-25 nm)发现纳米晶中有变形孪晶。从{111}滑移面的晶界发出的部分位错以及堆垛层错可以促进这些变形孪晶的产生。纳米晶Al的极高强度归因于晶粒尺寸小和变形孪晶。在拉伸测试过程中形成的大纳米颗粒中的位错密度高,而小纳米晶粒中的形变孪晶则高,这可能是导致高n值、良好延展性的主要原因。

图2(A)Al的晶格和部分位错的临界剪切应力;(B)纳米晶Al和粗Al的拉伸应力-应变曲线,(B)中的插图显示了两个样品的应变硬化速率随真实塑性应变的变化

图3(A)原位固结纳米晶Al的高分辨率TEM图像,显示了具有平行边界的变形孪晶(B)来自(A)中的孪晶区域的傅立叶变换模式;(C)来自(A)中黄色框的傅立叶滤波图像,显示了多个变形孪晶和堆垛层错

总的来说,本文制备了具有较高堆垛层错能的纳米晶纯铝,分别进行TEM和力学性能分析,重点研究了晶粒尺寸和不同的变形机制对块状纳米晶Al的拉伸性能的影响。描述了变形孪晶和其他塑性变形机制对纳米晶Al拉伸性能的影响。该研究为后续铝合金强化机制提供了参考。(文:33)

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