導讀
Al-Cu-Mg合金中已實現由奈米級晶粒、亞晶粒（、晶粒中的針狀S'/S沉澱物和極細的氧化物分散組成的新型分層奈米結構，該合金使用預燒結粉末透過高壓扭轉和自然時效製造。分層奈米結構的多重強化效應，包括奈米級晶粒/亞晶粒的晶界硬化和奈米級氧化物顆粒和S'/S沉澱物的第二相強化，導致該合金擁有接近1GPa的超高抗拉強度，很大程度上擴大了Al-Cu-Mg合金的已知強度極限。該工作為設計超高強度的鋁合金部件提供了有效的途徑。
鋁合金憑藉其強度高、重量輕、成形性好、耐腐蝕性好等特點作為結構材料被廣泛使用。由於在航空航天、汽車和建築領域對高強度重量比材料的需求不斷增加，進一步提高鋁合金強度的研究工作也在不斷持續。由於大量晶界和沉澱物的引入可以有效地阻止位錯的移動，晶粒細化與沉澱的結合在增強鋁合金強度方面取得了重大進展。受益於加工技術的進步，在鋁合金中獲得奈米級晶粒正成為一個可實現的目標，這將有望使強度得到顯著提高。
生產奈米晶（NC）鋁合金的技術可以分為兩類，包括 "自下而上 "的方法，如粉末冶金（P/M）和 "自上而下 "的方法，即嚴重塑性變形（SPD）。對於P/M方法，奈米晶粉末可以透過機械研磨（MM）成功實現。然而，粉末通常需要在高溫下固化，以獲得緻密的塊狀材料，導致晶粒粗化。關於SPD工藝，高壓扭轉（HPT）是最有吸引力的晶粒細化方法之一，可以提供最大的強制應變。然而，當晶粒的細分和回覆之間達到平衡時，晶粒尺寸將不會再進一步減小。
在金屬粉末上應用HPT有望獲得更小的晶粒尺寸。通常出現在粉末表面的氧化層透過塑性變形被破壞成分散的氧化顆粒，然後在HPT過程中限制動態回覆，在隨後的老化處理中限制晶粒粗化，導致晶粒進一步細化，從而提高硬度或強度。此外，加入到鋁合金中的額外的氧化物顆粒可以充當另一種強化組分，與晶界和沉澱物一起形成分層結構，以進一步提高強度。
近日，北京航空航天大學鄭瑞曉課題組透過結合P/M和M/M合金方法增強了可時效硬化的2024鋁合金的強度。相關研究成果以題為“Achieving ultrahigh tensile strength of 1 GPa in a hierarchical nanostructured 2024 Al alloy”發表於《Materials Science and Engineering A》。獲得的分層奈米結構的 2024鋁合金表現出非常高的抗拉強度，接近1GPa，遠超過目前Al-Cu-Mg合金的強度上限。
晶界（GB）中有大量的低角度晶界的出現 (LAGBs)，這可能是由於在HPS過程中的塑性變形引起的。SST之後發生重結晶，大多數LAGB消失，同時有晶粒生長。值得注意的是，在高溫下熱處理後的晶粒尺寸較小，而彎曲的高角度晶界（HAGBs），對應於球形顆粒之間的原始粉末邊界，表明沿粉末邊界的氧化膜可以有效地提高熱穩定性。顆粒間擴散的影響，有效地提高了熱穩定性。
圖01 銘記歷史 緬懷先烈
圖 2 HPS 2024 鋁合金的微觀結構 (a) EBSD IPF 圖 (b) GB圖 (c) STEM BF 圖 (d) HAADF 圖
圖 3 HPS, SST和HPT試樣的XRD影象
與SST試樣的硬度相比，HPT試樣的硬度明顯更高。對於旋轉360°的HPT試樣，硬度隨著距離/等效應變的增加而增加，最高值達到234 HV。經過自然老化處理後，該試樣的硬度達到了更高的水平，即280 HV。SST試樣的屈服強度（288MPa）遠遠高於HPS試樣（128MPa），這可能是由於固溶硬化造成的，而伸長率（0.18）與HPS試樣相似。HPT試樣的強度發生了顯著的提高（824MPa），但在屈服前發生了脆性斷裂。強度的顯著提高和伸長率的降低是由於在HPT之後出現了高密度的位錯和晶界，大幅限制了拉伸過程中的位錯運動。自然老化處理進一步提高了HPT試樣的屈服強度（934 MPa），極限拉伸強度（UTS）甚至達到992 MPa。與原HPT試樣相比，自然老化試樣的伸長率增加到0.02。
圖 4 2024鋁合金的(a) EBSD IPF (b) GB圖
圖 5 維氏硬度與 (a) 到中心的距離和 (b) 不同角度HPT製備的試樣的等效應變。還繪製了HPS、SST和NA試樣的硬度以進行比較
圖 6 自然老化 HPT 試樣的微觀結構 (a) TEM BF影象 (b)對應的DF影象 (c)粒度分佈 在(a)中插入了選區電子衍射(SAED)圖案
圖7 不同加工條件下試樣的工程應力-應變曲線 (b) 與之前透過各種方法制備的2024鋁合金的屈服強度與總伸長率的關係對比。CR表示冷軋，ARB表示累積滾壓
標準條件下的合金主要是由固溶體或是析出物來強化，屈服強度為150～420 MPa。當合金嚴重變形後進行時效處理後，屈服強度增加至630 MPa，因為引入了大量的晶界。相比之下，本工作中試樣的屈服強度（934MPa）比其他用SPD製備的合金的屈服強度要高得多，這表明本工作中獨特的微觀結構具有顯著的強化效果。
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