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金屬所盧柯院士團隊《Acta》：熱穩定、晶界松弛的納米晶Al-Mg合金！

2022-02-07 16:42:05 作者：材料學網來源：材料學網分享至：

導讀：晶粒細化到納米級可以極大地硬化金屬和合金，但會降低其穩定性。本文通過在非常高的應變速率下進行低溫塑性變形，發現當晶粒尺寸低于臨界尺寸時，由GBs中位錯，可以在 Al-5Mg合金中產生了高比例的松弛晶界（GBs）。平均晶粒尺寸為31nm的納米結構Al-5Mg合金具有2.67 GPa的高硬度和比亞微米晶粒高約95 K的晶粒粗化溫度。此外，在一些松弛晶界處觀察到Mg消耗而沒有偏析。松弛晶界在穩定納米結構Al-Mg合金方面效果較好。它為開發穩定的納米結構合金提供了一種新方法。

晶粒細化到納米尺度可以顯著增強金屬材料的強度如經典的Hall-Petch關系所描述。然而，引入高密度晶界（GBs）提供巨大的遷移驅動力，并導致晶粒粗化。例如，純鋁和純銅的納米顆粒可能即使在環境溫度下也會粗化。納米晶體（NC）材料穩定性差的特點極大地限制了其技術應用和進一步晶粒細化。

多晶中的晶粒粗化率取決于GB遷移率和驅動力，主要受晶粒尺寸、GB結構和晶粒所具有的能量控制。為使NC材料更加穩定，目前已經提出了幾種策略如通過降低GB遷移率和減少GB驅動力來降低晶粒生長速率。通過固定不同的邊界，可以抑制GB運動，如溶質拖動、第二相拖動、化學排序。在一項研究中發現超細晶粒 Al-Fe 合金，納米級顆粒分散在基體中，由于納米級金屬間化合物相互作用，有效抑制GB遷移率。

一般來說，隨著GB過剩能量的減少，GB流動性和GB遷移的驅動力都會降低。因此，將低能GBs引入NC材料成為穩定納米結構的關鍵策略。根據Gibbs吸附等溫線，外來元素在GBs的偏析可以降低界面能，因而降低了驅動力并阻止了GB運動。例如，GBs處的Zr偏析可以穩定 NC Fe-Zr的微觀結構。盡管在一定程度上晶界處的溶質分離可以提高NC合金的熱穩定性，當納米晶體的尺寸非常小時，它們仍然可能是不穩定。此外，隨著GB合金化程度的提高，形成第二相的趨勢增加，限制了GB偏析。這可以在許多超細晶粒鋁合金中看到，其中在高溫下由于GBs處富溶質顆粒的沉淀可能會出現明顯的晶粒粗化現象。

提高納米晶金屬穩定性的另一個重要策略是引入具有固有低過剩能量的GB，例如孿晶界和低角晶界。這樣，GB的流動性和GB遷移的驅動力可以有效減少。除了這些方法，通過與部分位錯的相互作用將GBs松弛到低能狀態提供了一種生成低能GBs的替代方法。分子動力學模擬表明，當晶粒尺寸小于位錯分裂距離時，一些面心立方金屬的支配變形機制可能從完全位錯活動轉變為部分位錯活動。隨后，初始晶界可能解離成由堆垛層錯連接的低能邊界，增強了熱穩定性。我們報道了純銅、鎳和鋁的熱穩定性通過使用低溫塑性變形反轉到臨界尺寸以下。2考慮到合金元素可能在 GB 處偏析并影響層錯能，研究與合金元素相關的晶界松弛過程很有意義，這可能對熱穩定性和偏析行為產生重大影響。

中國科學院金屬研究所盧柯院士團隊通過在納米尺度上利用晶界松弛來強化Al-Mg合金。利用Al-5Mg合金在非常高應變速率下的低溫塑性變形，成功地誘導高密度GBs松弛進入低能態，形成了成分消耗，而不是分離。所得納米晶Al-5Mg合金具有高硬度和優異的熱穩定性，克服了普通鋁二元合金在強度和熱穩定性之間的平衡。相關研究成果以題為“Thermally stable nanostructured Al-Mg alloy with relaxed grain boundaries”發表在金屬頂刊Acta Materialia上。

全文鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1359645422000246

通過在非常高的應變率下進行低溫塑性變形，可以在 Al-5Mg 合金中產生依賴于深度的梯度微觀結構。10 μm 厚的頂表層被細化成平均橫向尺寸為 31 nm 的細長納米顆粒。隨著深度的增加，晶粒尺寸逐漸增加。幾種類型的 CSL 邊界在納米晶粒中形成層，在 HAADF-STEM 下觀察到原子平面段的長度有幾到幾十的納米。當晶粒尺寸低于臨界值時，推斷CSL邊界是通過從GBs發射部分位錯形成的。GBs 處的Mg 濃度取決于晶粒尺寸，隨著晶粒尺寸減小到納米級，GBs 處的Mg 濃度下降。對于 31 nm 的納米晶粒，GBs 處的 Mg 濃度約為晶格中濃度的一半。晶格畸變分析表明，這種異常現象的發生歸因于低能Σ邊界的形成及其附近的壓縮應變。

圖1所示為制備的SMGT的組織和取向角分布Al-Mg試樣：（a） SMGT Al-5Mg試樣的典型SEM剖面圖；亮場透射電鏡圖像顯示了地下不同深度的顯微組織處理表面：（b） 7μm，（c） 95μm，（d） 150μm;箭頭表示剪切方向；（e）納米粒和納米粒取向角分布比較深度分別為7μm和95μm的Al-5Mg晶粒。

圖2所示為所制備的 SMGT Al-5Mg 樣品的橫向晶粒尺寸和維氏硬度隨表面深度的變化。

圖3所示為高分辨率 HAADF-STEM 圖像顯示了典型的Σ邊界，光束方向沿所制備的納米晶粒Al-5Mg合金的<110>:（a）Σ3，（b）Σ9，和（c）Σ11邊界。

圖4所示為所制備的納米晶粒結構在深度為7 μm處的HAADF-STEM圖像（a）和元素映射（b）；（c）沿（b）中的白色箭頭對 Al 和 Mg 濃度進行線掃描，顯示晶界處明顯的 Mg 耗盡；所制備的亞微米的 HAADF-STEM 圖像（d）和在深度為95μm顆粒結構的元素映射（e）；（f）沿（e）中的白色箭頭對 Al 和 Mg 濃度進行線掃描。

圖5所示為（a）GBs 處 Mg 濃度隨所制備樣品中晶粒尺寸的變化；（b）在制備的納米晶粒和亞微米晶粒樣品中的隨機晶界中，Mg消耗的晶界處的Mg濃度的統計分布。

通過在不同溫度下退火30分鐘，檢測了表層納米顆粒和約95 um深度的亞表層亞微顆粒的熱穩定性（平均晶粒尺寸為168 nm，圖1c）。當退火溫度低于373 K時，這些組織的晶粒尺寸和硬度沒有明顯變化（圖6）。當退火溫度超過393 K時，亞微晶粒尺寸明顯增大（圖6a），硬度下降。在473 K退火時，預期原始的細長晶粒被無位錯的等軸晶粒所取代（圖7b），平均晶粒尺寸提高到274±40 nm（圖6a），硬度從1.67 GPa下降到1.12 GPa（圖6b）。而在相同的退火條件下，在473 K以下退火后，納米晶組織保持穩定（圖7），硬度也保持穩定（圖6），晶粒粗化溫度比亞微晶高約95 K。