強(qiáng)度和塑性作為金屬材料的兩個(gè)基本力學(xué)性能通常是互斥的，即強(qiáng)度的增加要以犧牲塑性為代價(jià)，反之亦然。這個(gè)規(guī)律同樣適用于鋁基復(fù)合材料，這是因?yàn)樗氲脑鰪?qiáng)顆粒與鋁基體的界面錯(cuò)配度通常較高，從而使得位錯(cuò)在形變過程中塞積于界面處產(chǎn)生應(yīng)力集中，并導(dǎo)致加工硬化速率降低，進(jìn)而對材料塑性產(chǎn)生不利影響。

法國科學(xué)院UMET實(shí)驗(yàn)室的嵇罡研究員與上海交通大學(xué)金屬基復(fù)合材料國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的陳哲教授合作研究提出，通過界面誘導(dǎo)析出行為對納米顆粒/鋁合金基體界面進(jìn)行調(diào)控理論上可以克服上述問題，從而使其同時(shí)具備高強(qiáng)度和高塑性。基于此，相關(guān)研究人員選取常用的納米TiB2顆粒為增強(qiáng)相，傳統(tǒng)的Al-Zn-Mg-Cu合金為基體，開展實(shí)驗(yàn)對上述理論進(jìn)行了驗(yàn)證。研究表明在TiB2/Al界面處原位析出了 (Zn1.5Cu0.5) Mg界面相，且由此生成的TiB2/(Zn1.5Cu0.5)Mg/Al復(fù)合界面大幅降低了原界面的錯(cuò)配度，提高了界面結(jié)合強(qiáng)度。此界面誘導(dǎo)析出機(jī)制相關(guān)人員此前已經(jīng)以“Atomic-scale investigation of the interface precipitation in a TiB2 nanoparticles reinforced Al-Zn-Mg-Cu matrix composite”為題發(fā)表于金屬材料領(lǐng)域頂級期刊Acta Materialia上。論文第一作者為巴黎薩克雷大學(xué)/法國科學(xué)院的馬毓博士。此研究獲得了國家留學(xué)基金委、the Conseil Regional du Nord-Pas de Calais、以及the European Regional Development Fund的支持。

論文鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S135964541930816X

后續(xù)研究表明，通過界面誘導(dǎo)析出機(jī)制大幅降低納米TiB2顆粒與Al-Zn-Mg-Cu合金基體的界面錯(cuò)配度之后，形變過程中位錯(cuò)不易塞積于兩者界面處，而是傾向于以O(shè)rowan位錯(cuò)環(huán)的形式與顆粒發(fā)生相互作用，這有效地促進(jìn)了位錯(cuò)增殖和隨后的位錯(cuò)湮滅，提高了加工硬化速率，從而使TiB2/Al-Zn-Mg-Cu復(fù)合材料同時(shí)具備了高強(qiáng)度和高塑性，證實(shí)了界面誘導(dǎo)析出調(diào)控機(jī)制的可行性。此機(jī)制理論上可適用于各類納米顆粒增強(qiáng)時(shí)效析出鋁合金基體復(fù)合材料，為克服鋁合金材料強(qiáng)度-塑性之間的互斥困境提供了一條新途徑。相關(guān)研究近期以“Break through the strength-ductility trade-off dilemma in aluminum matrix composites via precipitation-assisted interface tailoring”為題發(fā)表于金屬材料領(lǐng)域頂級期刊Acta Materialia上。

論文第一作者為巴黎薩克雷大學(xué)/法國科學(xué)院的馬毓博士，共同第一作者為上海交通大學(xué)的陳漢博士。此研究獲得了國家留學(xué)基金委、國家自然科學(xué)基金、the Ministère de l’Enseignement Supérieur de la Recherche et de l’Innovation、the region “Hauts-de-France”、the ERDF program of the European Union、以及the “Métropole Eu-ropéenne de Lille”的支持。本工作的其他主要合作者還包括澳大利亞昆士蘭大學(xué)張明星教授，中南大學(xué)孔毅副教授，德國亥姆霍茲吉斯達(dá)赫研究中心Hereon甘為民研究員等。

論文鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1359645422008473

圖1 TiB2/7075Al-PA復(fù)合材料中的界面誘導(dǎo)析出行為使TiB2/Al界面轉(zhuǎn)變?yōu)門iB2/(Zn1.5Cu0.5)Mg/Al復(fù)合界面。

圖2 HRSTEM-HAADF的結(jié)果表明，該TiB2/(Zn1.5Cu0.5)Mg/Al復(fù)合界面具有較低的界面錯(cuò)配度，其形成可以顯著提高原TiB2/Al界面的共格性。

圖3 具有TiB2/(Zn1.5Cu0.5)Mg/Al復(fù)合界面的TiB2/7075Al-PA復(fù)合材料表現(xiàn)出良好的綜合力學(xué)性能，克服了傳統(tǒng)鋁基復(fù)合材料強(qiáng)度與塑性之間的互斥難題。

圖4 塑性變形機(jī)理示意圖。具有TiB2/(Zn1.5Cu0.5)Mg/Al復(fù)合界面的TiB2/7075Al-PA復(fù)合材料在變形過程中位錯(cuò)不易塞積于顆粒與基體的界面處，而是傾向于以O(shè)rowan位錯(cuò)環(huán)的形式與顆粒發(fā)生相互作用。而顆粒周圍的Orowan位錯(cuò)環(huán)可以在形變過程中進(jìn)行分解，緩解顆粒周圍的位錯(cuò)塞積，為后續(xù)位錯(cuò)增殖提供新的空間，從而使得復(fù)合材料加工硬化速率增加，塑性提高。