晶粒尺寸小于100 nm的納米晶金屬通常具有獨(dú)特的性能，優(yōu)于同類的粗晶。鋁（Al）是一種用途廣泛的金屬，由于其較高的比強(qiáng)度，重量輕和耐腐蝕性而被認(rèn)為是必不可少的工程材料。為了改善其機(jī)械性能，一些研究人員試圖生產(chǎn)具有納米級(jí)晶粒尺寸的Al。將晶粒尺寸減小到納米級(jí)會(huì)導(dǎo)致極高的強(qiáng)度，這可能會(huì)觸發(fā)在粗晶材料中未觀察到的獨(dú)特塑性變形機(jī)制。但是，幾乎所有報(bào)道都是晶粒尺寸100nm至1μm的超細(xì)晶鋁，關(guān)于塊體納米晶Al的力學(xué)性能則鮮見(jiàn)報(bào)道。

卡塔爾大學(xué)與明尼蘇達(dá)大學(xué)在液氮和室溫球磨過(guò)程中通過(guò)原位固結(jié)法合成了大塊的納米晶Al，研究表明，拉伸性能是由尺寸較大的納米晶粒的位錯(cuò)，以及晶粒尺寸較小的納米晶粒的部分位錯(cuò)和堆垛層錯(cuò)控制的形變孿晶決定。相關(guān)論文以題為“The activation of deformation mechanisms for improved tensile properties in nanocrystalline aluminum”于3月10日發(fā)表在Materials Science and Engineering A。

論文鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S092150932030157X

研究人員分析了納米晶Al的拉伸行為，并將其與納米結(jié)組織構(gòu)特征相關(guān)聯(lián)。與常規(guī)的粗晶商業(yè)純鋁相比，納米晶體鋁具有極高的拉伸強(qiáng)度，應(yīng)變硬化速率和延展性。這種塊狀納米晶Al的抗拉強(qiáng)度比常見(jiàn)的商用粗晶純鋁的強(qiáng)度高至少十倍，納米晶Al樣品的平均屈服強(qiáng)度高達(dá)375 MPa，平均拉伸強(qiáng)度為410 MPa，總伸長(zhǎng)率為10%。實(shí)現(xiàn)了超高屈服和抗拉強(qiáng)度，同時(shí)具有良好的延展性和應(yīng)變硬化性能。

圖1（A）研磨6h后的納米晶Al的明場(chǎng)TEM圖像，顯示了尺寸為10至55nm的納米晶粒。右上角的插圖是相應(yīng)的選定區(qū)域衍射圖樣；（B）所有晶粒和包含孿晶的晶粒的晶粒尺寸分布

研究發(fā)現(xiàn)，納米晶Al樣品的平均伸長(zhǎng)率和總伸長(zhǎng)率分別為4.5%和10%。屈服后的納米晶Al表現(xiàn)出比粗晶Al更高的應(yīng)變硬化指數(shù)，0.132。采用HR-TEM觀察相對(duì)較小的納米晶粒（10-25 nm）發(fā)現(xiàn)納米晶中有變形孿晶。從{111}滑移面的晶界發(fā)出的部分位錯(cuò)以及堆垛層錯(cuò)可以促進(jìn)這些變形孿晶的產(chǎn)生。納米晶Al的極高強(qiáng)度歸因于晶粒尺寸小和變形孿晶。在拉伸測(cè)試過(guò)程中形成的大納米顆粒中的位錯(cuò)密度高，而小納米晶粒中的形變孿晶則高，這可能是導(dǎo)致高n值、良好延展性的主要原因。

圖2（A）Al的晶格和部分位錯(cuò)的臨界剪切應(yīng)力；（B）納米晶Al和粗Al的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線，（B）中的插圖顯示了兩個(gè)樣品的應(yīng)變硬化速率隨真實(shí)塑性應(yīng)變的變化

圖3（A）原位固結(jié)納米晶Al的高分辨率TEM圖像，顯示了具有平行邊界的變形孿晶（B）來(lái)自（A）中的孿晶區(qū)域的傅立葉變換模式；（C）來(lái)自（A）中黃色框的傅立葉濾波圖像，顯示了多個(gè)變形孿晶和堆垛層錯(cuò)

總的來(lái)說(shuō)，本文制備了具有較高堆垛層錯(cuò)能的納米晶純鋁，分別進(jìn)行TEM和力學(xué)性能分析，重點(diǎn)研究了晶粒尺寸和不同的變形機(jī)制對(duì)塊狀納米晶Al的拉伸性能的影響。描述了變形孿晶和其他塑性變形機(jī)制對(duì)納米晶Al拉伸性能的影響。該研究為后續(xù)鋁合金強(qiáng)化機(jī)制提供了參考。