天津大学《MRL》：晶内增强异质结构铝基复合材料宏观和介观尺度力学性能研究

铝基复合材料具有优异的比强度和比模量，然而长期存在强度-延性倒置的科学瓶颈。目前，由具有不同物理或机械性能畴/晶粒组成的异质结构金属通过异质变形诱导（Hetero-deformation Induced，HDI）强化大幅提高了力学性能。在铝基复合材料中构建异质晶粒结构能够促进粗晶/细晶异质界面累积大量几何必需位错（GNDs），从而提高复合材料强度。但传统方法制备获得的铝基复合材料中增强相通常沿晶界分布，这种晶间增强相的引入会进一步提高异质晶粒界面的应力状态，导致塑性变形局域化。

当前，构建晶内增强相在调节复合材料应力/应变分配、改善复合材料综合力学性能方面表现出良好前景。晶内增强相提升了晶粒内部位错存储能力，有利于缓解晶界处应力累积，并维持连续的应变硬化。此外，晶内增强相也会改变近邻微区的位错运动/增殖行为，从而影响局部应力状态。目前已有研究工作主要关注增强相特性与复合材料宏观力学性能之间的关联，增强相近邻微区的介观尺度力学性能研究有待深入。

近期，天津大学纳米及复合材料研究团队基于Al-CuO固相原位反应，原位构筑了异质晶粒结构和晶内纳米增强相（Al2O3），以此为模型材料，通过准静态拉伸和纳米压痕试验，研究了晶内增强相对复合材料宏观和介观尺度力学性能的影响，揭示了晶内纳米增强相在提升异质结构金属协同变形方面的独特作用，并阐明了微区蠕变机理。相关工作以题为“Macro-and meso-mechanic investigations on the mechanical properties of heterostructured Al matrix composites featuring intragranular reinforcement”的研究论文发表在Materials Research Letters上。论文的第一作者为硕士研究生赵阳，通讯作者为戎旭东副研究员和赵冬冬副教授，第一通讯单位为天津大学。

原文链接：

https://doi.org/10.1080/21663831.2024.2340635

图1.Al-5CuO复合材料微观组织及宏观和介观尺度力学性能。

图2.（a）Al-5CuO复合材料和Al-4Cu合金的XRD图谱；（b）Al-4Cu合金和（c）Al-5CuO复合材料的EBSD取向图；（c）基于EBSD表征得到的晶粒尺寸统计图；（e）Al-4Cu合金和（g）Al-5CuO复合材料的晶粒结构；（f）Al-4Cu合金和（h）Al-5CuO复合材料的沉淀相形貌；（i）Al-5CuO复合材料中原位形成的晶内纳米Al2O3增强相。

图3.（a）Al-5CuO复合材料和Al-4Cu合金的工程应力-应变曲线。Al-5CuO复合材料变形过程中的位错形貌：（b）~（d）粗晶和细晶中的位错分布;（e）Al2O3与位错的交互作用；（f）位错在异质界面处的堆积。

图4.纳米压痕实验结果：（a）Al-5CuO复合材料压痕形貌；（b）纳米压痕载荷-位移曲线；（c）纳米压痕模量统计图；（d）纳米压痕硬度统计图；（e）纳米压痕蠕变载荷-位移曲线；（b）纳米压痕蠕变保持时间-位移曲线。

本文基于Al-CuO反应体系，通过变速球磨结合反应烧结制备了晶内纳米相增强的异质晶粒铝基复合材料。以其为模型材料，通过对比实验研究了晶内增强相对复合材料宏观和介观力学性能的影响。结果显示Al-5CuO复合材料的极限抗拉强度和断裂延伸率分别为~553 MPa和12.5%，其优良的综合力学性能一方面来源于在变形过程中为了协调不同尺寸晶粒/畴之间应变梯度所引起的HDI强化；另一方面来源于晶内纳米Al2O3与位错的交互作用促进了位错在晶内累积。纳米压痕实验结果显示，Al-5CuO复合材料的硬度和模量值均高于Al-4Cu合金，且离散程度更小，这表明晶内增强相不仅能够提升材料微区强度还能够协调/匹配不同尺寸晶粒的变形抗力。蠕变应力指数（n）和激活体积（V*）分析结果表明，位错与晶界/第二相的交互作用是Al-5CuO复合材料的主要蠕变机制，晶内Al2O3对可动位错的阻碍提高了复合材料的蠕变抗力。