傳統金屬材料，比如鋼鐵、鋁合金等，是人類生存和發展的重要物質基礎，研究歷史久遠，相關研究突破往往具有重大意義。然而研究傳統金屬材料的科研人員都深有體會，想要做出新的重大成果非常困難。從發表論文來說，Acta Materialia （IF=6.036） 是傳統金屬材料的頂刊，而想發在Nature、Science等期刊則顯得過于遙遠。近兩年北京科技大學呂昭平團隊在Nature發表了兩篇相關文章，就曾引起廣泛關注。

    日前，來自澳大利亞莫納什大學和迪肯大學的科研人員在鋁合金方面取得了一項重要成果，通過2024、6061、7075等常規鋁合金發現了一種新型室溫下的強化方式！相關論文昨天（3月1日）發表在《Science》期刊。

    論文鏈接：

    http://science.sciencemag.org/content/363/6430/972

    高強度鋁合金對于汽車輕量化非常重要，越來越多地用于汽車中，同時也廣泛用于飛機中。傳統的高強度鋁合金需要經過一系列高溫“烘烤”（120°至200°C），通過固溶析出形成高密度的納米粒子，阻礙位錯的運動從而達到強化的目的。

    本論文中研究人員提出了一種新的強化手段，稱為循環強化（cyclic strengthening， CS）。通過控制鋁合金的室溫循環變形，可以充足連續地將空位引入材料中，并且調控超細（1至2nm）溶質團的動態析出行為達到強化的目的。與傳統的熱處理相比，這種處理方式可以獲得強度更高、塑性更好的鋁合金材料，但是所需的時間更短！獲得的微觀組織也比傳統熱處理的更加均勻，并且沒有發現無沉淀區。因此，這種鋁合金抵抗破壞的能力極有可能更加優異。

    圖1為傳統析出強化工藝與新型CS強化工藝的對比。展示了固溶溫度，β相的形核速率和長大速率與溫度之間的關系，以及循環強化的實施過程。

圖1 傳統析出強化與新型CS強化的對比

    下面圖2則列舉了傳統熱處理和循環強化工藝獲得的鋁合金力學性能比較。所采用的合金是常見的2024、6061和7075鋁合金。可以看出，室溫循環強化工藝獲得的鋁合金強度和塑性均良好。整個強化工藝并沒有試樣形狀的改變，也不需要人工時效處理。

圖2 傳統熱處理工藝和CS強化工藝的力學性能比較

    那究竟是什么原因導致以上結果呢？我們知道材料的性能取決于顯微組織，通過組織觀察發現，循環強化處理后的組織和傳統熱處理獲得的組織非常不一樣！如圖3所示，傳統組織中分布著很多細小的析出相，而循環強化后的組織可以看到一些位錯環，還有其他一些組織特征尺寸在10-50 nm。位錯環的形成主要是因為循環強化過程中引入的空位聚集，位錯雖然可以起到強化作用，但是新工藝獲得的位錯比傳統組織的位錯少，因此必定是其他組織特征起到了重要作用。

圖3 傳統熱處理工藝和CS強化工藝的組織比較

    為了搞清楚其他這些10-50 nm的組織，研究人員選取AA2024鋁合金分別做了低角度環形暗場透射（LAADF_STEM），如圖4所示，可以從原子級尺度理解強化機理。圖中的亮斑是由于原子數差異和應變共同導致的。組織中觀察到了超細的原子團（1-2nm），通過高角度環形暗場透射（HAADF_STEM）發現，這些超細原子團包含了2個或者2個以上的富Cu柱形物。通過原子探針重構發現隨著循環強化的進行原子團明顯增多，這種異構的溶質分布對位錯運動有強烈的影響，可以大幅提高合金強度。

圖4 循環強化前后AA2024鋁合金中的溶質團

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責任編輯：殷鵬飛

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