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Nature子刊！北科大呂昭平團(tuán)隊(duì)研發(fā)新型鋁基合金，兼具輕量化與高強(qiáng)度！

2024-08-22 14:48:18 作者：材料設(shè)計(jì) 來源：材料設(shè)計(jì) 分享至：

【研究背景】

輕量化與高強(qiáng)度相結(jié)合，即高比強(qiáng)度，可以有效減輕各種結(jié)構(gòu)應(yīng)用中滿足力學(xué)要求所需的材料重量。由于降低能源消耗和碳排放的需求日益增加，追求輕量化和高強(qiáng)度的金屬材料已經(jīng)引起了多行業(yè)的廣泛重視，特別是在交通運(yùn)輸領(lǐng)域。鋁基合金的特點(diǎn)是密度低(僅為鋼、銅或黃銅的三分之一)、磁性弱、比強(qiáng)度高，是最受歡迎的輕型工程材料，具有廣泛的應(yīng)用前景。

開發(fā)更輕的鋁基合金需要引入更多的更輕的元素，然而，超過這些元素在Al中的溶解度限制可能會(huì)導(dǎo)致合金主要由金屬間化合物(IMC)組成，造成缺乏韌性FCC基體，從而導(dǎo)致力學(xué)性能下降，這一限制阻礙了輕鋁基合金的發(fā)展。

此外，在鋁基合金中實(shí)現(xiàn)高比強(qiáng)度非常具有挑戰(zhàn)性，因?yàn)閺?qiáng)度通常會(huì)隨著密度的降低而降低，即開發(fā)具有高比強(qiáng)度的輕質(zhì)鋁基合金需要合金設(shè)計(jì)和制備方法來克服這些障礙。

【成果速覽】

由于對(duì)節(jié)能結(jié)構(gòu)材料的需求不斷增長，并因受到其他較輕成分在Al中溶解度有限的阻礙，開發(fā)輕質(zhì)而堅(jiān)固的鋁基合金一直是科研人不懈努力的方向。

本文中，北京科技大學(xué)先進(jìn)金屬與材料國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室呂昭平教授團(tuán)隊(duì)提出，通過施加高壓和高溫將Al基復(fù)合濃合金(CCA)中的多個(gè)脆性相轉(zhuǎn)化為延展性固溶體來克服這一挑戰(zhàn)。試驗(yàn)成功地開發(fā)了一種面心立方單相Al基Al₅₅Mg₃₅Li₅Zn₅CCA，其密度低至2.40g/cm³，比屈服強(qiáng)度高達(dá)344×10³N·m/kg(傳統(tǒng)Al基合金通常為~200×10³N·m/kg)。

分析表明，高壓作用下溶質(zhì)元素與Al之間的原子尺寸和電負(fù)性差異減小，以及高溫高壓引起的協(xié)同高熵效應(yīng)是形成單相CCA的主要原因。強(qiáng)度的增加主要來源于高固溶體和納米尺度的化學(xué)波動(dòng)。本項(xiàng)研究結(jié)果可以為在廣闊的成分-溫度-壓力空間中探索具有增強(qiáng)機(jī)械性能的輕質(zhì)單相CCA提供一條可行的途徑。

相關(guān)成果以“Lightweight single-phase Al-based complex concentrated alloy with high specific strength”為題刊登在Nature Communications上。

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【數(shù)據(jù)概況】

圖1. 鑄態(tài)和高溫高壓合成Al₅₅Mg₃₅Li₅Zn₅樣品的表征。

圖2. 力學(xué)性能。

圖3. SP-FCC Al₅₅Mg₃₅Li₅Zn₅ CCA的變形行為。

圖4. 高壓下的相演化。

圖5. 半徑、局部原子應(yīng)變(λ)、電負(fù)性和多余構(gòu)型熵(SE)隨壓力的變化。

【結(jié)論展望】

本研究成功通過高溫高壓合成了具有單相面心立方結(jié)構(gòu)的輕質(zhì)鋁基復(fù)合濃縮合金（Al₅₅Mg₃₅Li₅Zn₅）。研究揭示了通過優(yōu)化元素原子比、選擇適當(dāng)?shù)母邷馗邏簵l件（15GPa和1500K），可實(shí)現(xiàn)從多相混合物到單相固溶體的相變。

合成的單相合金在力學(xué)性能方面表現(xiàn)出色，屈服強(qiáng)度大幅提高，總壓縮應(yīng)變?cè)黾樱惹?qiáng)度優(yōu)于多數(shù)已報(bào)道的同類合金。變形行為分析表明，鑄態(tài)樣品呈脆性斷裂，而高溫高壓合成樣品表現(xiàn)出跨晶斷裂和以平面滑移為主的變形行為。

通過一系列實(shí)驗(yàn)和理論分析，揭示了相變機(jī)理，即壓力和溫度共同作用，減小了原子尺寸和電負(fù)性差異，增加了構(gòu)型熵，促進(jìn)了單相固溶體的形成。同時(shí)，多種強(qiáng)化機(jī)制的共同作用，包括固溶強(qiáng)化、位錯(cuò)強(qiáng)化、晶界強(qiáng)化和納米級(jí)化學(xué)波動(dòng)強(qiáng)化，使得合金性能優(yōu)異。

此外，研究還證明了高溫高壓方法在探索輕質(zhì)鋁合金方面的有效性，并提出了形成單相固溶體的必要條件，預(yù)計(jì)相關(guān)參數(shù)可作為指導(dǎo)原則。未來，在各種尺度上引入結(jié)構(gòu)不均勻性等方法有望進(jìn)一步提高合金的塑性變形能力，為輕質(zhì)高強(qiáng)合金的發(fā)展開辟了新途徑。

原文鏈接：

https://doi.org/10.1038/s41467-024-51387-6

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