強度提高10倍！揭秘納米晶鋁的變形機理_風聞

本文製備的塊狀納米晶純鋁的平均抗拉強度410 MPa，比常見的商用純鋁強度高至少十倍，總伸長率為10%，兼具了超高強度與延展性。

晶粒尺寸小於100 nm的納米晶金屬通常具有獨特的性能，優於同類的粗晶。鋁（Al）是一種用途廣泛的金屬，由於其較高的比強度，重量輕和耐腐蝕性而被認為是必不可少的工程材料。為了改善其機械性能，一些研究人員試圖生產具有納米級晶粒尺寸的Al。將晶粒尺寸減小到納米級會導致極高的強度，這可能會觸發在粗晶材料中未觀察到的獨特塑性變形機制。但是，幾乎所有報道都是晶粒尺寸100nm至1μm的超細晶鋁，關於塊體納米晶Al的力學性能則鮮見報道。

卡塔爾大學與明尼蘇達大學在液氮和室温球磨過程中通過原位固結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，以及晶粒尺寸較小的納米晶粒的部分位錯和堆垛層錯控制的形變孿晶決定。相關論文以題為“The activation of deformation mechanisms for improved tensile properties in nanocrystalline aluminum”於3月10日發表在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，並將其與納米結組織構特徵相關聯。與常規的粗晶商業純鋁相比，納米晶體鋁具有極高的拉伸強度，應變硬化速率和延展性。這種塊狀納米晶Al的抗拉強度比常見的商用粗晶純鋁的強度高至少十倍，納米晶Al樣品的平均屈服強度高達375 MPa，平均拉伸強度為410 MPa，總伸長率為10%。實現了超高屈服和抗拉強度，同時具有良好的延展性和應變硬化性能。

圖1（A）研磨6h後的納米晶Al的明場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的選定區域衍射圖樣；（B）所有晶粒和包含孿晶的晶粒的晶粒尺寸分佈

研究發現，納米晶Al樣品的平均伸長率和總伸長率分別為4.5%和10%。屈服後的納米晶Al表現出比粗晶Al更高的應變硬化指數，0.132。採用HR-TEM觀察相對較小的納米晶粒（10-25 nm）發現納米晶中有變形孿晶。從{111}滑移面的晶界發出的部分位錯以及堆垛層錯可以促進這些變形孿晶的產生。納米晶Al的極高強度歸因於晶粒尺寸小和變形孿晶。在拉伸測試過程中形成的大納米顆粒中的位錯密度高，而小納米晶粒中的形變孿晶則高，這可能是導致高n值、良好延展性的主要原因。

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

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

總的來説，本文製備了具有較高堆垛層錯能的納米晶純鋁，分別進行TEM和力學性能分析，重點研究了晶粒尺寸和不同的變形機制對塊狀納米晶Al的拉伸性能的影響。描述了變形孿晶和其他塑性變形機制對納米晶Al拉伸性能的影響。該研究為後續鋁合金強化機制提供了參考。（文：33）

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