在國家自然科學基金項目（批準號：52071340、51820105001、51531009、51711530713）等資助下，中南大學粉末冶金國家重點實驗室杜勇教授團隊楊明軍博士生、李凱副教授等在鋁合金針狀納米析出相的力學行為及其機制研究方面取得進展。相關研究成果以“鋁鎂硅合金中β″和β?析出相在拉伸過程中的剪切和旋轉：原位及離位研究（Shearing and rotation of β″ and β? precipitates in an Al-Mg-Si alloy under tensile deformation: In-situ and ex-situ studies）”為題，于2021年11月發表在Acta Materialia雜志上。

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https://doi.org/10.1016/j.actamat.2021.117310

對于汽車輕量化板材所用的Al-Mg-Si合金，共格β″和半共格β?納米析出相是最主要的強化相，其對位錯運動的阻礙作用使得合金強度提升。然而，目前學界關于β″相是被位錯切過還是繞過以及對應的臨界尺寸尚存爭議，且對于β″和β?相在拉伸等變形過程中的其他力學行為缺乏認識。這些問題的解決，對進一步推動鋁合金集成計算材料工程的發展至關重要。

　　

為解決以上問題，研究團隊首先通過原位透射電鏡納米力學實驗，清楚地觀察到β″析出相被位錯切過的過程（見圖1）。由于該樣品只含β″相且其幾乎是所有文獻報道中最粗大的，故可以推斷β″相在全尺寸范圍內均可被位錯切過。通過在透射電鏡中對宏觀拉伸樣品斷口進行離位觀察分析，發現β″相在樣品拉伸變形過程中還發生了破碎和旋轉（如圖2a）。通過耦合透射電鏡和原子探針層析（APT）技術對β″和β?兩種析出相共存的另一拉伸斷口樣品進行分析（見圖2b-e），進一步證實了β″相的破碎與旋轉，并發現β?相經過類似的拉伸變形后仍有很大概率能保持較為完整的針狀形貌，或雖然部分破碎但其針狀形貌仍可辨認。團隊分析多方面的實驗證據后指出析出相與基體的共格度影響其力學行為，共格度更低的析出相在位錯一次切過后其界面能升高，因而難以在同一位置多次切過（更難破碎和旋轉），同時指出析出相旋轉的最可能機制為析出相與基體間的界面滑動。

圖1 β″析出相(1-4)被位錯（i-iv）切過的原位透射電鏡納米力學實驗

圖2 β″和β?兩種不同析出相與位錯的不同交互作用結果的離位透射電鏡及APT表征結果，（a，b）中的樣品取自兩個不同宏觀拉伸樣品距斷口尖端0.2毫米處

該工作闡明了共格針狀析出相β″和半共格針狀析出相β?在合金拉伸變形過程中“易于破碎并可旋轉”及“較難破碎”的迥異力學行為，提出了“共格析出相被位錯切碎 → 碎片在擴散作用下通過界面滑動而發生旋轉”的新機制，在不久的將來有望催生鋁合金抗拉強度模擬預測的新理論、新模型。

本文來自“國家自然科學基金委員會”。