两篇《Acta》！界面诱导析出调控，突破铝基复合材料强塑性难题

强度和塑性作为金属材料的两个基本力学性能通常是互斥的，即强度的增加要以牺牲塑性为代价，反之亦然。这个规律同样适用于铝基复合材料，这是因为所引入的增强颗粒与铝基体的界面错配度通常较高，从而使得位错在形变过程中塞积于界面处产生应力集中，并导致加工硬化速率降低，进而对材料塑性产生不利影响。

法国科学院UMET实验室的嵇罡研究员与上海交通大学金属基复合材料国家重点实验室的陈哲教授合作研究提出，通过界面诱导析出行为对纳米颗粒/铝合金基体界面进行调控理论上可以克服上述问题，从而使其同时具备高强度和高塑性。基于此，相关研究人员选取常用的纳米TiB2颗粒为增强相，传统的Al-Zn-Mg-Cu合金为基体，开展实验对上述理论进行了验证。研究表明在TiB2/Al界面处原位析出了(Zn1.5Cu0.5)Mg界面相，且由此生成的TiB2/(Zn1.5Cu0.5)Mg/Al复合界面大幅降低了原界面的错配度，提高了界面结合强度。此界面诱导析出机制相关人员此前已经以“Atomic-scale investigation of the interface precipitation in a TiB2 nanoparticles reinforced Al-Zn-Mg-Cu matrix composite”为题发表于金属材料领域顶级期刊Acta Materialia上。论文第一作者为巴黎萨克雷大学/法国科学院的马毓博士。此研究获得了国家留学基金委、the Conseil Regional du Nord-Pas de Calais、以及the European Regional Development Fund的支持。

论文链接：

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

后续研究表明，通过界面诱导析出机制大幅降低纳米TiB2颗粒与Al-Zn-Mg-Cu合金基体的界面错配度之后，形变过程中位错不易塞积于两者界面处，而是倾向于以Orowan位错环的形式与颗粒发生相互作用，这有效地促进了位错增殖和随后的位错湮灭，提高了加工硬化速率，从而使TiB2/Al-Zn-Mg-Cu复合材料同时具备了高强度和高塑性，证实了界面诱导析出调控机制的可行性。此机制理论上可适用于各类纳米颗粒增强时效析出铝合金基体复合材料，为克服铝合金材料强度-塑性之间的互斥困境提供了一条新途径。相关研究近期以“Break through the strength-ductility trade-off dilemma in aluminum matrix composites via precipitation-assisted interface tailoring”为题发表于金属材料领域顶级期刊Acta Materialia上。

论文第一作者为巴黎萨克雷大学/法国科学院的马毓博士，共同第一作者为上海交通大学的陈汉博士。此研究获得了国家留学基金委、国家自然科学基金、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还包括澳大利亚昆士兰大学张明星教授，中南大学孔毅副教授，德国亥姆霍兹吉斯达赫研究中心Hereon甘为民研究员等。

论文链接：

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1359645422008473

图1 TiB2/7075Al-PA复合材料中的界面诱导析出行为使TiB2/Al界面转变为TiB2/(Zn1.5Cu0.5)Mg/Al复合界面。

图2 HRSTEM-HAADF的结果表明，该TiB2/(Zn1.5Cu0.5)Mg/Al复合界面具有较低的界面错配度，其形成可以显著提高原TiB2/Al界面的共格性。

图3 具有TiB2/(Zn1.5Cu0.5)Mg/Al复合界面的TiB2/7075Al-PA复合材料表现出良好的综合力学性能，克服了传统铝基复合材料强度与塑性之间的互斥难题。

图4 塑性变形机理示意图。具有TiB2/(Zn1.5Cu0.5)Mg/Al复合界面的TiB2/7075Al-PA复合材料在变形过程中位错不易塞积于颗粒与基体的界面处，而是倾向于以Orowan位错环的形式与颗粒发生相互作用。而颗粒周围的Orowan位错环可以在形变过程中进行分解，缓解颗粒周围的位错塞积，为后续位错增殖提供新的空间，从而使得复合材料加工硬化速率增加，塑性提高。