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上海交通大學(xué)：異質(zhì)變形和納米沉淀協(xié)同強(qiáng)化石墨烯增強(qiáng)鋁合金材料！

2022-11-01 13:51:14 作者：材料學(xué)網(wǎng) 來(lái)源：材料學(xué)網(wǎng) 分享至：

石墨烯因其優(yōu)異的力學(xué)和物理性能被認(rèn)為是鋁基復(fù)合材料（AMC）理想增強(qiáng)材料。其對(duì)晶界的強(qiáng)釘住作用細(xì)化了晶粒，提高了AMC的強(qiáng)度。然而，晶粒細(xì)化也降低了晶內(nèi)位錯(cuò)的存儲(chǔ)容量，失去室溫拉伸延性，導(dǎo)致明顯的強(qiáng)度-延性權(quán)衡。通常情況下，在AA2024中添加0.7 vol%的石墨烯可以顯著提高拉伸強(qiáng)度，從350 MPa增加到720 MPa，而延伸率則從7%下降到4% 這主要是由于細(xì)晶粒的加工硬化和抗裂能力較差，導(dǎo)致過(guò)早失效和塑性喪失所致。

非均質(zhì)結(jié)構(gòu)通過(guò)設(shè)計(jì)強(qiáng)度差異超過(guò)100%的軟/硬區(qū)域，有效地平衡了金屬的高強(qiáng)度和延性。這種異質(zhì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)通常是通過(guò)在超細(xì)顆粒和強(qiáng)金屬中引入軟區(qū)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。在塑性變形過(guò)程中，軟硬區(qū)之間的不均勻變形在異質(zhì)界面處產(chǎn)生幾何必要位錯(cuò)（GND），并通過(guò)軟硬區(qū)之間的相互約束產(chǎn)生異質(zhì)變形誘導(dǎo)（HDI）強(qiáng)化。在常規(guī)位錯(cuò)強(qiáng)化基礎(chǔ)上疊加，提高延性。然而，軟區(qū)通常由粒徑在幾十微米以上、體積在20%以上的粗顆粒組成，這將不可避免地削弱超細(xì)顆粒的屈服強(qiáng)度，抵消HDI的強(qiáng)化。因此，如何同時(shí)提高超細(xì)晶粒的屈服強(qiáng)度和拉伸延性仍然是一個(gè)亟待解決的問(wèn)題。

納米層合結(jié)構(gòu)在金屬及其復(fù)合材料中因強(qiáng)度-延性協(xié)同作用而被廣泛接受，盡管它們通常表現(xiàn)出較差的應(yīng)變硬化。從這個(gè)角度出發(fā)，在本研究中，上海交通大學(xué)譚占秋等人嘗試將異質(zhì)和納米層合結(jié)構(gòu)結(jié)合起來(lái)，開發(fā)同時(shí)提高強(qiáng)度和延性的材料。通過(guò)在GNS/Al-Cu-Mg復(fù)合材料中引入較粗的疇，得到了非均勻的納米層合結(jié)構(gòu)。為了避免屈服強(qiáng)度的降低，減小了異質(zhì)疇的尺寸差異。由于粗區(qū)域的析出強(qiáng)化和異質(zhì)界面的HDI強(qiáng)化的協(xié)同作用，屈服強(qiáng)度和拉伸伸長(zhǎng)率同時(shí)提高了約20%。盡管軟域和硬域之間的差異減小了，HDI加固仍然可以工作。

相關(guān)研究成果以題“Simultaneously enhanced strength and ductility in graphene nanosheet/Al-Cu-Mg nano-laminated composites by incorporating coarse domains”發(fā)表在國(guó)際著名期刊Materials Research Letters上。

鏈接：https://doi.org/10.1080/21663831.2022.2128917

圖 1

不同晶粒結(jié)構(gòu)Al-Cu-Mg及其復(fù)合材料的電鏡表征：（a，d，g，j）CL Al-Cu-Mg；（b，e，h，k）為UNL GNS/Al-Cu-Mg；HNL GNS/ Al-Cu-Mg為（c，f，i，l）。（a-c）不同晶粒結(jié)構(gòu)示意圖；（d-f）復(fù)合材料的顆粒長(zhǎng)度和寬度分布EBSD反極圖；（g-i）顆粒長(zhǎng)度和寬度的分布；（j-l）顯示復(fù)合材料晶粒分布的TEM圖像。

圖 2

（a）復(fù)合材料具有代表性的工程拉應(yīng)力-應(yīng)變曲線;(b)應(yīng)變硬化速率與由（a）得到的真應(yīng)變的函數(shù)關(guān)系。（c）本研究制備的GNS/鋁合金復(fù)合材料的極限抗拉強(qiáng)度和延性與以往報(bào)道的比較。

圖 3

HNL GNS/Al-Cu-Mg樣品的TEM和HRTEM觀察。（a，b）顆粒和GNSs分布的亮場(chǎng)TEM圖像；（c）復(fù)合材料中GNS/Al界面的HRTEM圖像；（d，g）兩能級(jí)晶粒間Cu分布的TEM圖像和相應(yīng)的EDX圖；（e，h）θ’-Al2Cu納米沉淀物的TEM圖像在粗粒和細(xì)粒中，分別對(duì)應(yīng)于（d）中品紅和綠色方格所勾畫的區(qū)域；（e，h）中的嵌入是對(duì)應(yīng)的FFT模式；（f，i）含有MgO納米顆粒區(qū)域的BF-STEM圖像以及相應(yīng)的粗粒和細(xì)粒EDX映射分析。

圖 4

（a）HNL和UNL復(fù)合材料的加卸載再加載（LUR）曲線；（b）含塑性應(yīng)變復(fù)合材料HDI應(yīng)力的演化規(guī)律及HDI應(yīng)力與流變應(yīng)力之比；（c，d）HNL和UNL復(fù)合材料在3%應(yīng)變后的KAM圖；（e）顯示粗粒拉伸試驗(yàn)后高密度位錯(cuò)的TEM圖像；（f）HNL和UNL復(fù)合材料中不同機(jī)理對(duì)強(qiáng)度的貢獻(xiàn)；（g）多種強(qiáng)化機(jī)制對(duì)HNL復(fù)合材料拉伸變形過(guò)程的影響。

為了探究晶粒結(jié)構(gòu)對(duì)復(fù)合材料變形機(jī)制的影響，使用DIC分析跟蹤原位應(yīng)變分布（圖5（a-f））。當(dāng)施加應(yīng)變?yōu)?%時(shí)，納米層合結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的應(yīng)變分布較為均勻，不存在明顯的應(yīng)變局部化現(xiàn)象（圖5（a,d）），說(shuō)明納米層合結(jié)構(gòu)在緩解應(yīng)變局部化方面具有優(yōu)勢(shì)。然而，當(dāng)施加應(yīng)變?cè)黾拥?%時(shí)，具有UNL結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料出現(xiàn)了明顯的應(yīng)變局部化（圖5（c）），這也與其他研究一致。通常，具有納米層壓結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料在應(yīng)變?yōu)?-8%時(shí)開始局域化。而HNL結(jié)構(gòu)仍能保持應(yīng)變均勻，避免過(guò)早斷裂，能充分發(fā)揮細(xì)粒和粗粒納米層合晶粒構(gòu)成的基體的應(yīng)變硬化能力。晶體塑性有限元建模可以進(jìn)一步證明HNL結(jié)構(gòu)在提高應(yīng)變硬化能力方面的優(yōu)勢(shì)。與實(shí)驗(yàn)觀察結(jié)果類似（圖4（a-e）），在5%的施加應(yīng)變下，可以看出HNL結(jié)構(gòu)可以在異質(zhì)界面邊界處誘導(dǎo)出更高的GND密度。此外，可以緩解HNL結(jié)構(gòu)中的應(yīng)變局部化，峰值應(yīng)變值比HNL結(jié)構(gòu)更小，避免因石墨烯的加入而導(dǎo)致疇界面過(guò)早開裂。因此，引入異質(zhì)組織可以有效地緩解應(yīng)變局部化，使復(fù)合材料的應(yīng)變硬化能力得到充分發(fā)揮。

圖 5

化不同晶粒結(jié)構(gòu)的GNS/Al-Cu-Mg復(fù)合材料拉伸變形過(guò)程中應(yīng)變分布的演化（DIC試驗(yàn)）；（a-c） UNL結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料；（d-f）具有HNL結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料。

有趣的是，在軟/粗和硬/細(xì)結(jié)構(gòu)域具有如此小的差異的異質(zhì)結(jié)構(gòu)中，可以實(shí)現(xiàn)相當(dāng)大的HDI強(qiáng)化。一般情況下，在100%以上強(qiáng)度差異顯著的軟/硬區(qū)域組成的非均質(zhì)結(jié)構(gòu)中存在平衡的高強(qiáng)度和延性。在非均質(zhì)材料中，相大小差異越大，HDI應(yīng)力越大，屈服強(qiáng)度越低。從這個(gè)意義上說(shuō)，這里我們可以介紹HDI效率:σHDI/(VCG(σFG?σCG))，即HDI應(yīng)力與粗粒比體積的異疇區(qū)域強(qiáng)度差的比值。這種HDI效率可以很好地評(píng)估HDI貢獻(xiàn)的能力，同時(shí)仍然保留較少的屈服強(qiáng)度損失。因此，HNL復(fù)合材料較高的HDI效率保證了在減小差值的情況下強(qiáng)化效果。這種特殊現(xiàn)象也被認(rèn)為與納米層合結(jié)構(gòu)有關(guān)，但在粗/細(xì)結(jié)構(gòu)域的優(yōu)化以及它們協(xié)調(diào)的潛在局限性方面仍存在一些問(wèn)題。

綜上所述，GNS/Al-Cu-Mg非均相納米層合材料通過(guò)刻意縮小軟/粗和硬/細(xì)區(qū)域的差異，同時(shí)提高了屈服強(qiáng)度和拉伸延性。獲得較好的拉伸性能可以歸因于沉淀硬化和HDI硬化的較高貢獻(xiàn)，這壓倒了異質(zhì)組織形成前細(xì)晶粒強(qiáng)化的較小貢獻(xiàn)。該研究為設(shè)計(jì)同時(shí)具有高強(qiáng)度和良好延性的異質(zhì)結(jié)構(gòu)材料提供了深入的理解。

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