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重磅!铝合金也能发《Science》新型室温强化方式!

来源:材料科学与工程微信公众号 时间:2019-03-07 09:27 浏览次数:25358
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摘要:来自澳大利亚莫纳什大学和迪肯大学的科研人员在铝合金方面取得了一项重要成果,通过2024、6061、7075等常规铝合金发现了一种新型室温下的强化方式!

  传统金属材料,比如钢铁、铝合金等,是人类生存和发展的重要物质基础,研究历史久远,相关研究突破往往具有重大意义。然而研究传统金属材料的科研人员都深有体会,想要做出新的重大成果非常困难。从发表论文来说,Acta Materialia (IF=6.036) 是传统金属材料的顶刊,而想发在Nature、Science等期刊则显得过于遥远。近两年北京科技大学吕昭平团队在Nature发表了两篇相关文章,就曾引起广泛关注。

  日前,来自澳大利亚莫纳什大学和迪肯大学的科研人员在铝合金方面取得了一项重要成果,通过2024、6061、7075等常规铝合金发现了一种新型室温下的强化方式!

  高强度铝合金对于汽车轻量化非常重要,越来越多地用于汽车中,同时也广泛用于飞机中。传统的高强度铝合金需要经过一系列高温“烘烤”(120°至200°C),通过固溶析出形成高密度的纳米粒子,阻碍位错的运动从而达到强化的目的。

  本论文中研究人员提出了一种新的强化手段,称为循环强化(cyclic strengthening, CS)。通过控制铝合金的室温循环变形,可以充足连续地将空位引入材料中,并且调控超细(1至2nm)溶质团的动态析出行为达到强化的目的。与传统的热处理相比,这种处理方式可以获得强度更高、塑性更好的铝合金材料,但是所需的时间更短!获得的微观组织也比传统热处理的更加均匀,并且没有发现无沉淀区。因此,这种铝合金抵抗破坏的能力极有可能更加优异。

  图1为传统析出强化工艺与新型CS强化工艺的对比。展示了固溶温度,β相的形核速率和长大速率与温度之间的关系,以及循环强化的实施过程。

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  下面图2则列举了传统热处理和循环强化工艺获得的铝合金力学性能比较。所采用的合金是常见的2024、6061和7075铝合金。可以看出,室温循环强化工艺获得的铝合金强度和塑性均良好。整个强化工艺并没有试样形状的改变,也不需要人工时效处理。

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  那究竟是什么原因导致以上结果呢?我们知道材料的性能取决于显微组织,通过组织观察发现,循环强化处理后的组织和传统热处理获得的组织非常不一样!如图3所示,传统组织中分布着很多细小的析出相,而循环强化后的组织可以看到一些位错环,还有其他一些组织特征尺寸在10-50 nm。位错环的形成主要是因为循环强化过程中引入的空位聚集,位错虽然可以起到强化作用,但是新工艺获得的位错比传统组织的位错少,因此必定是其他组织特征起到了重要作用。

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  为了搞清楚其他这些10-50 nm的组织,研究人员选取AA2024铝合金分别做了低角度环形暗场透射(LAADF_STEM),如图4所示,可以从原子级尺度理解强化机理。图中的亮斑是由于原子数差异和应变共同导致的。组织中观察到了超细的原子团(1-2nm),通过高角度环形暗场透射(HAADF_STEM)发现,这些超细原子团包含了2个或者2个以上的富Cu柱形物。通过原子探针重构发现随着循环强化的进行原子团明显增多,这种异构的溶质分布对位错运动有强烈的影响,可以大幅提高合金强度。

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