《Acta Mater》中南大學杜勇團隊鋁合金析出強化領域重要進展!

2020-12-05 孜然學術

近日，中南大學粉末冶金研究院杜勇教授團隊在金屬材料頂級期刊《Acta Materialia》發表題為「Atomic scale investigation of the crystal structure and interfaces of the B′ precipitate in Al-Mg-Si alloys」的原創性論文。中南大學粉末冶金研究院李凱副教授、杜勇教授為該文共同通訊作者，中南大學2019屆碩士畢業生陳皓楠、陝西師範大學盧江波副教授為該文章的並列第一作者，中南大學粉末冶金研究院為第一作者單位。

論文為open access，可直接下載：

https://doi.org/10.1016/j.actamat.2019.11.059

鋁合金由於質量輕、比強度高、耐腐蝕、易於回收利用等特性，成為汽車等行業實現節能減排的重要輕量化材料。研究鋁合金在時效熱處理過程中析出的強化相的結構，是設計合金成分、調控析出相類型從而提升鋁合金力學性能的基礎。由於鋁合金中的亞穩納米析出相在透射電鏡的高能電子束下的結構穩定性低，制約了對其結構的原子尺度表徵。

陳皓楠、李凱等在前期研究中發現在200-300 keV的常規高能電子束下，Al-Mg-Si合金的主要強化析出相β"容易被電子束損傷的主因是電子束轟出原子創造空位，大大促進了擴散。因此，通過降低物鏡球差矯正透射電鏡的電子束能量至80 keV來降低擊出原子的概率，實現了β"的穩定的長時間高分辨透射電子顯微觀察（Micron116 (2019) 116–123）。基於此，在80 keV低能電子束及200 keV低劑量電子束等低輻照損傷條件下，進行球差矯正高分辨掃描透射電子顯微觀察（HRSTEM）及原子尺度能譜（EDX）面掃，結合第一性原理計算得到的形成焓-錯配度雙重判據，鑑定了Al-Mg-Si合金中被發現20年以來一直未明確的析出相B′的原子尺度結構模型。

本研究還獲得了B′與基體鋁之間的界面結構模型，並發現在析出相內部能自協調出層狀缺陷結構來降低析出相-基體間的整體錯配度從而降低生長阻力。「有意思的是」（審稿人評語），該工作中，在共格界面附近發現了符合形成焓最低判據的U1 → U2 → B′過時效階段析出相轉變路徑，而在非共格界面附近發現了B′ → U2轉變路徑（見下圖），揭示了多重能量判據對相轉變路徑的交錯影響，也說明了傳統的離位觀察的局限性及透射電鏡原位表徵的廣闊前景。

(圖為B析出相的HRSTEM圖、晶體結構模型及其與基體的界面結構模型)

同期，以李凱、杜勇為共同通訊作者的另外兩篇論文（及）分別發表在國際期刊《Materials Science and Engineering: A》和《Journal of Materials Science & Technology》。前者首次證明Al-Mg-Si合金主要強化相β″與次要強化相β′在強化效果上的差別取決於錯配度；後者採用杜勇課題組開發的多元多相鋁合金熱力學資料庫，通過相圖計算調控合金成分，得到了一種綜合強韌性（屈服強度277MPa，延伸率20.0%）明顯優於現有文獻數據的Al-Mg-Si汽車車身板合金。

來源：中南大學粉冶院。參考文獻：

https://doi.org/10.1016/j.msea.2019.138776

https://doi.org/10.1016/j.jmst.2019.09.029

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