中南大学在铝合金析出强化领域取得系列新成果

近日，粉末冶金研究院杜勇教授团队在材料学国际著名学术期刊《Acta Materialia》发表题为“Atomic scale investigation of the crystal structure and interfaces of the B′ precipitate in Al-Mg-Si alloys”的原创性论文（https://doi.org/10.1016/j.actamat.2019.11.059）。中南大学粉末冶金研究院李凯副教授、杜勇教授为该文共同通讯作者，中南大学2019届硕士毕业生陈皓楠、陕西师范大学卢江波副教授为该文章的并列第一作者，中南大学粉末冶金研究院为第一作者单位。

铝合金由于质量轻、比强度高、耐腐蚀、易于回收利用等特性，成为汽车等行业实现节能减排的重要轻量化材料。研究铝合金在时效热处理过程中析出的强化相的结构，是设计合金成分、调控析出相类型从而提升铝合金力学性能的基础。由于铝合金中的亚稳纳米析出相在透射电镜的高能电子束下的结构稳定性低，制约了对其结构的原子尺度表征。陈皓楠、李凯等在前期研究中发现在200-300 keV的常规高能电子束下，Al-Mg-Si合金的主要强化析出相β"容易被电子束损伤的主因是电子束轰出原子创造空位，大大促进了扩散。因此，通过降低物镜球差矫正透射电镜的电子束能量至80 keV来降低击出原子的概率，实现了β"的稳定的长时间高分辨透射电子显微观察，论文发表于Micron116 (2019) 116–123（https://doi.org/10.1016/j.micron.2018.10.003）。

基于此，在80 keV低能电子束及200 keV低剂量电子束等低辐照损伤条件下，进行球差矫正高分辨扫描透射电子显微观察（HRSTEM）及原子尺度能谱（EDX）面扫，结合第一性原理计算得到的形成焓-错配度双重判据，鉴定了Al-Mg-Si合金中被发现20年以来一直未明确的析出相B′的原子尺度结构模型。本研究还获得了B′与基体铝之间的界面结构模型，并发现在析出相内部能自协调出层状缺陷结构来降低析出相-基体间的整体错配度从而降低生长阻力。“有意思的是”（审稿人评语），该工作中，在共格界面附近发现了符合形成焓最低判据的U1 → U2 → B′过时效阶段析出相转变路径，而在非共格界面附近发现了B′ → U2转变路径（见下图），揭示了多重能量判据对相转变路径的交错影响，也说明了传统的离位观察的局限性及透射电镜原位表征的广阔前景。

(图为Bʹ析出相的HRSTEM图、晶体结构模型及其与基体的界面结构模型)

同期，以李凯、杜勇为共同通讯作者的另外两篇论文（https://doi.org/10.1016/j.msea.2019.138776及https://doi.org/10.1016/j.jmst.2019.09.029）分别发表在国际期刊《Materials Science and Engineering: A》和《Journal of Materials Science & Technology》。前者首次证明Al-Mg-Si合金主要强化相β″与次要强化相β′在强化效果上的差别取决于错配度；后者采用杜勇课题组开发的多元多相铝合金热力学数据库，通过相图计算调控合金成分，得到了一种综合强韧性（屈服强度277MPa，延伸率20.0%）明显优于现有文献数据的Al-Mg-Si汽车车身板合金。