同時提高強度和塑性！吉林大學提出一種新型鋁合金結構

強度和塑性一直是材料科學家希望解決的矛盾問題，本文提出了一種新穎的方法同時提高了鋁合金的強塑性，與疊軋的TiCp/Al-Mg-Si復合材料相比，獲得的合金屈服強度由380 MPa增加至443 MPa，均勻伸長率由5.0％增加至6.4％，為開發和研究利用納米顆粒設計和制備異質結構提供了新的技術途徑。

在顆粒增強鋁基復合材料中，納米顆粒可以顯著提高基體合金的強度，甚至改善其塑性。然而，當顆粒含量較高時，如何均勻分散納米顆粒仍舊是此領域中的難題之一。大量工作表明大塑性變形可以改善顆粒分散，并且納米顆粒可以有效地細化鋁合金晶粒結構并對析出相產生細化作用，為利用納米顆粒的分散來設計新型微觀異質結構并改善鋁合金基體的機械性能提供了新思路。

近期，吉林大學姜啟川教授（通訊作者），趙慶龍副教授（通訊作者）等通過中間合金鑄造法和累積疊軋工藝成功的在鋁合金中制備了新型的異質分層結構。與傳統的疊軋納米顆粒增強Al-Mg-Si復合材料相比，復合疊軋的Al-Mg-Si合金/納米復合材料同時提高了基體鋁合金的強度與塑性。相關成果以“Simultaneouslyincreased strength and ductility via the hierarchically heterogeneous structureof Al-Mg-Si alloys/nanocomposite”為題發表在Materials Research Letters，該論文第一作者為博士生庚潤。

論文鏈接：

https://www.tandfonline.com/doi/full/10.1080/21663831.2020.1744759

作者以Al-Mg-Si合金為基體合金，通過中間合金鑄造法將原位合成的納米TiC顆粒加入到基體合金中。隨后，將基體合金的冷軋板材與納米TiC顆粒增強復合材料冷軋板材進行復合累積疊軋。最終獲得了具有32層的復合疊軋板材，形成多層異質結構。基體層與復合材料層形成雙尺寸晶粒結構，同時，基體層析出相尺寸要大于復合材料層的析出相尺寸。

圖1 復合疊軋板材EBSD組織圖及EDS圖；顆粒富集區（PRZ）；顆粒分散區（PDZ）

圖2 復合疊軋板材顆粒分散區TEM組織觀察及析出相尺寸統計

圖3 復合疊軋板材顆粒富集區，近顆粒區域及遠顆粒區域TEM組織觀察及析出相尺寸統計

室溫拉伸結果表明，復合疊軋得板材具有最高的拉伸強度，并且與傳統累積疊軋的復合材料相比，強度和塑性同時得到了提升。與疊軋的TiCp/Al-Mg-Si復合材料相比，Al-Mg-Si合金/納米復合材料的屈服強度由380 MPa增加至443 MPa，均勻伸長率由5.0％增加至6.4％。通過分析表明，復合疊軋的材料中，由于基體層的引入，使得不同層具有不同的強塑性。由于變形能力不同，會引入額外的剪切力，更加有利于納米顆粒的定向分散。附件針對拉伸強度的各向異性現象建立了模型，該模型適用于具有類似結構的納米顆粒增強鋁基復合材料。

最終，具有層狀分布的TiC納米顆粒（TiCp），雙峰尺寸的晶粒和析出相的新型異質結構提供了較高的強度，并改善了由于顆粒難分散問題產生塑性降低問題。本文對開發和研究利用納米顆粒設計和制備異質結構提供了新的技術途徑。