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上海交通大學：異質變形和納米沉淀協同強化石墨烯增強鋁合金材料！

2022-11-01 13:51:14 作者：材料學網來源：材料學網分享至：

石墨烯因其優異的力學和物理性能被認為是鋁基復合材料（AMC）理想增強材料。其對晶界的強釘住作用細化了晶粒，提高了AMC的強度。然而，晶粒細化也降低了晶內位錯的存儲容量，失去室溫拉伸延性，導致明顯的強度-延性權衡。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% 這主要是由于細晶粒的加工硬化和抗裂能力較差，導致過早失效和塑性喪失所致。

非均質結構通過設計強度差異超過100%的軟/硬區域，有效地平衡了金屬的高強度和延性。這種異質結構設計通常是通過在超細顆粒和強金屬中引入軟區來實現的。在塑性變形過程中，軟硬區之間的不均勻變形在異質界面處產生幾何必要位錯（GND），并通過軟硬區之間的相互約束產生異質變形誘導（HDI）強化。在常規位錯強化基礎上疊加，提高延性。然而，軟區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顆粒的屈服強度，抵消HDI的強化。因此，如何同時提高超細晶粒的屈服強度和拉伸延性仍然是一個亟待解決的問題。

納米層合結構在金屬及其復合材料中因強度-延性協同作用而被廣泛接受，盡管它們通常表現出較差的應變硬化。從這個角度出發，在本研究中，上海交通大學譚占秋等人嘗試將異質和納米層合結構結合起來，開發同時提高強度和延性的材料。通過在GNS/Al-Cu-Mg復合材料中引入較粗的疇，得到了非均勻的納米層合結構。為了避免屈服強度的降低，減小了異質疇的尺寸差異。由于粗區域的析出強化和異質界面的HDI強化的協同作用，屈服強度和拉伸伸長率同時提高了約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”發表在國際著名期刊Materials Research Letters上。

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

圖 1

不同晶粒結構Al-Cu-Mg及其復合材料的電鏡表征：（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）不同晶粒結構示意圖；（d-f）復合材料的顆粒長度和寬度分布EBSD反極圖；（g-i）顆粒長度和寬度的分布；（j-l）顯示復合材料晶粒分布的TEM圖像。

圖 2

（a）復合材料具有代表性的工程拉應力-應變曲線;(b)應變硬化速率與由（a）得到的真應變的函數關系。（c）本研究制備的GNS/鋁合金復合材料的極限抗拉強度和延性與以往報道的比較。

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TEM圖像；（c）復合材料中GNS/Al界面的HRTEM圖像；（d，g）兩能級晶粒間Cu分布的TEM圖像和相應的EDX圖；（e，h）θ’-Al2Cu納米沉淀物的TEM圖像在粗粒和細粒中，分別對應于（d）中品紅和綠色方格所勾畫的區域；（e，h）中的嵌入是對應的FFT模式；（f，i）含有MgO納米顆粒區域的BF-STEM圖像以及相應的粗粒和細粒EDX映射分析。

圖 4

（a）HNL和UNL復合材料的加卸載再加載（LUR）曲線；（b）含塑性應變復合材料HDI應力的演化規律及HDI應力與流變應力之比；（c，d）HNL和UNL復合材料在3%應變后的KAM圖；（e）顯示粗粒拉伸試驗后高密度位錯的TEM圖像；（f）HNL和UNL復合材料中不同機理對強度的貢獻；（g）多種強化機制對HNL復合材料拉伸變形過程的影響。

為了探究晶粒結構對復合材料變形機制的影響，使用DIC分析跟蹤原位應變分布（圖5（a-f））。當施加應變為4%時，納米層合結構復合材料的應變分布較為均勻，不存在明顯的應變局部化現象（圖5（a,d）），說明納米層合結構在緩解應變局部化方面具有優勢。然而，當施加應變增加到8%時，具有UNL結構的復合材料出現了明顯的應變局部化（圖5（c）），這也與其他研究一致。通常，具有納米層壓結構的復合材料在應變為6-8%時開始局域化。而HNL結構仍能保持應變均勻，避免過早斷裂，能充分發揮細粒和粗粒納米層合晶粒構成的基體的應變硬化能力。晶體塑性有限元建模可以進一步證明HNL結構在提高應變硬化能力方面的優勢。與實驗觀察結果類似（圖4（a-e）），在5%的施加應變下，可以看出HNL結構可以在異質界面邊界處誘導出更高的GND密度。此外，可以緩解HNL結構中的應變局部化，峰值應變值比HNL結構更小，避免因石墨烯的加入而導致疇界面過早開裂。因此，引入異質組織可以有效地緩解應變局部化，使復合材料的應變硬化能力得到充分發揮。

圖 5

化不同晶粒結構的GNS/Al-Cu-Mg復合材料拉伸變形過程中應變分布的演化（DIC試驗）；（a-c） UNL結構的復合材料；（d-f）具有HNL結構的復合材料。

有趣的是，在軟/粗和硬/細結構域具有如此小的差異的異質結構中，可以實現相當大的HDI強化。一般情況下，在100%以上強度差異顯著的軟/硬區域組成的非均質結構中存在平衡的高強度和延性。在非均質材料中，相大小差異越大，HDI應力越大，屈服強度越低。從這個意義上說，這里我們可以介紹HDI效率:σHDI/(VCG(σFG?σCG))，即HDI應力與粗粒比體積的異疇區域強度差的比值。這種HDI效率可以很好地評估HDI貢獻的能力，同時仍然保留較少的屈服強度損失。因此，HNL復合材料較高的HDI效率保證了在減小差值的情況下強化效果。這種特殊現象也被認為與納米層合結構有關，但在粗/細結構域的優化以及它們協調的潛在局限性方面仍存在一些問題。

綜上所述，GNS/Al-Cu-Mg非均相納米層合材料通過刻意縮小軟/粗和硬/細區域的差異，同時提高了屈服強度和拉伸延性。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，這壓倒了異質組織形成前細晶粒強化的較小貢獻。該研究為設計同時具有高強度和良好延性的異質結構材料提供了深入的理解。

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