高性能結構材料具有卓越但往往相互排斥的特性組合，例如高屈服強度、延展性和熱穩定性，主要通過合成異質微結構來實現。與完全無定形的鋁合金相比，具有分層納米沉淀物的時效硬化鋁合金具有良好的強度和延展性組合，但其熱穩定性通常較低，這是因為納米沉淀物在高溫下會在快速擴散元素的驅動下發生粗化。

利用鋁基體中的慢擴散元素鉻，來自西安交通大學的學者提出了一種在結晶/非晶界面自組裝鉻偏析的結晶-非晶共生納米結構（CANS）的新策略，以開發熱穩定性、超強和韌性的鋁合金。共生的 CANS-AlCr 合金在室溫下具有約 15% 的均勻孿晶誘導塑性，具有約 1.75 GPa 的超高抗壓屈服強度和高達約 623 K 的出色熱穩定性，同時優于母體納米晶和非晶合金。界面鉻偏析不僅能促進晶體的孿晶塑性，還能引發界面和無定形納米層之間的動態元素分配，這對共生 CANS-AlCr 合金的熱力學和機械穩定性至關重要。本研究的策略推進了分層納米結構的高效創建，并提供了一條可在原子和納米尺度上進行調節的簡便途徑，從而獲得具有多種精確性能的理想材料。相關工作以題為“Symbiotically engineered crystalline-amorphous nanostructure in a strong-yet-stable Al alloy with large twinning-induced plasticity”的研究性文章發表在Acta Materialia。

論文鏈接： https://doi.org/10.1016/j.actamat.2023.119192

圖 1. 設計簡單鋁基結晶-非晶納米結構合金的指南。區域-I（RI）：具有非晶結構形成能力的二元Al-XI（XI = Ti、Zr、Ce、Cr、Mo、W）合金。區域-II（RII）：二元 Al-XII（XII = 鐵、錳）合金，具有形成微準晶結構的能力。區域-III（RIII）：具有結晶結構形成能力的二元 Al-XIII（XIII = Mg、Sc、Co、Ni、Cu、Ag）合金。相應數據和文獻可參見補充表 S1。

圖 2. 沉積的 CANS-AlCr 合金的微觀結構特征和成分信息。(a) CANSAlCr 合金的典型側視圖和平面內 TEM 圖像。插圖是從平面內 TEM 試樣中提取的相應 SAED 圖樣。(b) 自組裝鯡魚骨狀晶體-非晶體結構示意圖。x-y 平面表示合金表面，z 軸表示生長方向。平均厚度 h 和寬度 d 分別表示沿 z 軸方向和 x-y 平面的測量尺寸。(c) 結晶和無定形成分的厚度和寬度分布。(d) CANS-AlCr 合金的典型 HRTEM 圖像，顯示 FCC 和無定形雙相結構。(e) 5 納米厚的 APT 原子圖垂直切片，等成分面（95% - 75%）突出顯示富鋁區域。CAIs 標記為黑色虛線。(f) 三維原子分布圖，顯示了鋁（紅色）和鉻（蠟筆色）原子的空間分布。(g) 沿（f）中箭頭方向的一維成分剖面圖，顯示 CAIs 處的鉻偏析以及晶粒內部鉻的梯度分布。

圖 3. CANS-AlCr合金的機械性能。(a) CANS-AlCr 合金的一系列代表性工程應力-應變曲線。此外還包括純鋁、NC-AlCr 和 MG-AlCr 合金的壓縮曲線，以供比較。如圖所示，MG-AlCr 合金的屈服點被定義為第一個應變爆發點。如紅色箭頭所示，CANS-AlCr 合金的塑性流動應力在應變約為 15%時達到高點。(b) 試樣硬度（按 1/3 歸一化）、屈服應力和彈性模量的比較。(c-f）壓縮后相應微柱的掃描電鏡圖像。

圖 4. 變形 CANS-AlCr 合金的死后 TEM 圖像。(a) 塑性工程應變約為30% 的變形支柱的橫截面亮場 TEM 圖像。支柱發生剪切變形的區域稱為剪切區。(b)和(c) 從剪切區上部拍攝的放大TEM 圖像（如圖 a 所示），顯示了鯡魚骨狀晶體和無定形納米層的共同伸長。結晶納米層中富含 SF 的區域用橙色箭頭和陰影標記。(d) 插圖為 (b) 中的拉長納米晶粒。主面板是橙色框內區域的相應反快速傅立葉變換，顯示了晶粒內部的一些 NT 和豐富的 SF。

圖 5. CANS-AlCr 合金的熱穩定性。(a) 與NCAlCr 合金、AIF-AlNiCe 合金、NT-AlFe合金和 Schwarz-AlMg 合金相比，多溫退火后CANS-AlCr 合金的硬度變化。(b) CANS-AlCr 合金與其他已報道的鋁基材料（包括 NC Al 合金、NT Al 合金、納米復合材料和 NS Al 合金）相比的規格強度與歸一化臨界軟化溫度 (Ts/Tm)。

圖 6. 退火后 CANS-AlCr 合金的微觀結構特征和基本分區。(a) 和 (b) CANSAlCr 合金在 623 K 退火 2 小時后的相應DF-STEM 圖像和 EDX 圖譜。(c) 5 納米厚的垂直切片 APT 原子圖，其中 CAIs 標記為黑色虛線。(d）三維原子分布圖，顯示了鋁（紅色）和鉻（蠟筆色）原子的空間分布。(e) 沿（d）中橫線的一維成分剖面圖，顯示 CAIs 處的鉻損耗。(f) 比較軋制（黑點）和退火（橙色點）后的 CANS-AlCr 合金的成分剖面，顯示 FCC 和非晶相中各自的基本分區。(g) 從 CAI 偏析到非晶相的動態溶質分配示意圖。插圖是有界面鉻偏析（黃色陰影）的沉積合金（右上角）和無鉻偏析的退火合金（右下角）的放大基本分布圖（CAI 擴散，用黑色虛線簡明標出），顯示了高溫下的去偏析行為。在加熱過程中，從 CAI 區域向無定形相（紅色箭頭）的動態基本分區通過提高結晶溫度 Tx 增強了玻璃相的熱穩定性。

圖 7. (a) 不同鉻濃度的鋁-鉻體系的DFT 計算 GSFE 曲線。(b) 與鉻濃度相關的γUSFE 和 γUTFE/γUSFE值匯總，分別對應于在相鄰 (111) 平面上成核第一個前沿部分和連續發射前沿部分的能障。(c)和(d)分別為具有化學起伏（c）和均勻（d）結晶單層的 CANS-AlCr 合金的 MD 模擬。結晶單層和無定形單層分別打印為白色和黃色。中心對稱參數表征了每個原子周圍的反轉對稱破缺程度，用來分別顯示晶體單層和非晶單層中的 SF/TB（橙色箭頭）和 STZ。CAIs處的 STZs（紅色箭頭）因部分位錯成核/吸收而被激活。在模型(c)中，非晶層中的獨立 STZ 是隨機激活的，如藍色箭頭所示，可以清晰地看到非彈性轉變原子的離散原子團。在模型（d）中，獨立的 STZ 在空間上獲得相關性，并在非晶層中集體聚集在一起（用綠色框標出）。

圖 8. CANS-AlCr 合金中與尺寸有關的塑性變形和強化機制。如黑色箭頭所示，Al-Cr 晶體中全位錯轉變為部分位錯的臨界尺寸 Dc 約為 41.1 nm。部分位錯從界面釋放所需的應力在 ~1.55 - 1.81 GPa 之間，與測量的 CANS-AlCr 合金屈服強度非常一致。剪切帶傳播所需的應力估計為 ~2.54 - 2.8 GPa，高于目前共生 CANS-AlCr 合金的測量極限強度。

本研究提出了一種高性能鋁合金的新策略，即通過磁控濺射過程中的元素分區，構建具有自組裝界面偏析和成分起伏的共生結晶-非晶雙相納米結構。相鄰兩個納米級相之間的相互作用是由界面偏析的鉻原子引發的，它們以共生的方式改變了各自的性質，從而實現了兼容共變形，在晶體-非晶態納米結構中產生了協同效應。具體來說，在我們的共生 CANS-AlCr 合金中，超高屈服強度 ~1.75 GPa 和大均勻塑性 ~15% 的組合來自納米級結晶-非晶結構的協同強化和延展，即結晶相的孿生誘導塑性和非晶相的均勻塑性流動。共生概念不僅在鋁-鉻合金的非平衡合成過程中得以實現，而且還通過鉻原子從鉻偏析 CAIs 到非晶相的動態分配得以實現，這有助于在高溫下形成具有更高機械剛度的穩定 CANS。