Adv.Mater.：具有9R相的高強納米孿晶鋁合金

【引言】

輕質高強的鋁合金在工業生產中有著廣泛的應用。通過時效處理，鋁合金的屈服強度能達到0.7 GPa。而鋁基金屬玻璃的強度能達到1 GPa，但塑性較差且密度較高。近年來，有關學者通過低溫球磨或大塑性變形的方式減小合金的晶粒尺寸來提高合金的強度，但合金的晶粒尺寸進入納米尺度并達到臨界尺寸后合金的強度反而降低。近幾年的研究發現，通過增加合金中的納米孿晶數量可以使合金獲得很高的強度，但由于鋁合金的層錯能較高，所以只有在某些極限條件下才能產生納米孿晶。因此如何獲得具有高密度的納米孿晶的鋁合金仍然是一個巨大的挑戰。

【成果簡介】

近日，來自美國普渡大學的Zhang XingHang教授（沒有查到作者的確切姓名，這里以拼音代替）在Adv. Mater.上發表了一篇名為“High-Strength Nanotwinned Al Alloys with 9R Phase”的文章。研究人員通過直流磁濺射方式獲得純鋁以及具有納米孿晶的不同Fe含量的Al-Fe合金。研究人員通過單向壓縮和納米壓痕測試了合金的力學性能同時借助TEM、SEM、分子動力學模擬等手段研究了變形前后合金顯微結構變化，并對合金顯微組織變化機理進行了深入的闡述。

【圖文導讀】

圖1：純Al膜和不同Fe含量的Al-Fe合金膜的顯微結構和顯微硬度

（a）純Al膜的TEM圖；（b）純Al膜橫截面的TEM圖；（c）(111）方向上純Al膜的X射線極圖；（d）Al-2.5at%Fe膜橫截面的TEM圖；（e）Al-2.5at%Fe膜橫截面的TEM圖；（f）(111）方向上Al-2.5at%Fe膜的X射線極圖；（g）不同Fe含量的Al-Fe合金的顯微硬度變化曲線和鋁合金的顯微硬度隨著平均晶粒尺寸的變化曲線。前者表明，Al-Fe合金的顯微硬度隨著Fe含量的變化先增加后減小，在5.9at%處達到峰值（約5.5GPa）；后者表明，晶粒尺寸在納米尺度時，Al合金的顯微硬度隨著晶粒尺寸的減小而減小；（h）不同Fe含量的Al-Fe合金以及其他種類合金的比強度和比模量范圍示意圖。

圖2：Al-2.5at%Fe膜的顯微結構

（a）Al-2.5at%Fe膜橫截面的TEM圖，由圖知柱狀晶的寬度約為42nm；（b）Al-2.5at%Fe膜橫截面中三個相鄰柱狀晶的TEM圖以及相應的快速傅里葉轉變圖，其中T代表孿晶、M代表基體、9R代表9R相；（c）Al-2.5at%Fe膜中顯微結構的示意圖，其中ITB代表非共格孿晶界；（d）、（e）和（f）分別是圖（b）中方框d、方框e和方框f的HRTEM圖，其中PB代表相界；（g）為圖（d）中方框g的放大圖，其中SF代表層錯；（h）為圖（f）中方框（h）的放大圖，相界處存在位錯。

圖3：不同Fe含量Al-Fe合金的單向壓縮

（a）、（b）和（c）分別是純Al、Al-2.5at%Fe合金和Al-5.9at%Fe合金在單向壓縮中不同應變下的SEM圖片；（d）純Al、Al-2.5at%Fe合金和Al-5.9at%Fe合金的真應力-真應變曲線；（e）應變為10%時，純Al、Al-2.5at%Fe合金和Al-5.9at%Fe合金的流變應力和硬化指數。

圖4：室溫下單向壓縮的分子動力學模擬

（a）具有納米孿晶結構的純Al的單向壓縮的分子動力學模擬結果。圖中紅色代表堆垛層錯，藍色代表基體Al原子，綠色代表晶界和其他缺陷；（b）具有納米孿晶結構的Al-5at%Fe合金的單向壓縮的分子動力學模擬結果。圖中紅色代表堆垛層錯，藍色代表基體Fe原子，綠色代表Al原子，棕色代表晶界和其他缺陷；（c）為圖（b）的平面圖。

圖5：具有納米孿晶結構的Al-2.5at%Fe合金的顯微結構

（a）變形后的明場像和暗場像，T代表孿晶，M代表基體；（b）為圖（a）中的方框b放大圖以及方框c和方框b的傅里葉轉變圖；（c）和（d）分別為方框c和方框b的放大圖。

【小結】

此項研究通過直流磁濺射方式獲得了具有高密度納米孿晶和9R相的Al-Fe合金，其中Al-5.9at%Fe合金的硬度約5.5GPa，流變應力約1.5GPa。研究發現Fe原子可以提高納米孿晶和9R相的穩定性。同時研究還發現9R相可以使合金獲得很高的強度和硬度。該研究為設計超高強鋁合金提供了新思路。

文獻鏈接：High-Strength Nanotwinned Al Alloys with 9R Phase（Adv. Mater.，DOI: 10.1002/adma.201704629）

本文由材料人編輯部金屬組劉冠華編譯，陳炳旭審核，點我加入材料人編輯部。

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