鋁鋅鎂合金因其高強(qiáng)度重量比而廣泛應(yīng)用于交通運(yùn)輸行業(yè)。在這些合金中，主要的強(qiáng)化機(jī)制是由于納米析出物的形成而發(fā)生的析出強(qiáng)化。

在此，來(lái)自韓國(guó)國(guó)立首爾大學(xué)研究者利用像差校正掃描透射電鏡和第一性原理計(jì)算，揭示了合金中主要析出相之一的η-4相的界面結(jié)構(gòu)。相關(guān)論文以題為“Elucidating the role of a unique step-like interfacial structure ofη4 precipitates in Al-Zn-Mg alloy”發(fā)表在Science Advances上。

論文鏈接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adf7426

最近，隨著碳中和成為全球性問(wèn)題，研究提高交通運(yùn)輸系統(tǒng)能源效率的高強(qiáng)輕合金受到了相當(dāng)大的關(guān)注。在現(xiàn)有輕合金中，由于其低成本和高強(qiáng)-重量比，已知的鋁合金7000系列(AA 7000系列)的阿爾茲-鋅-鎂合金廣泛用于汽車(chē)工業(yè)。眾多納米級(jí)沉淀物的形成，如吉尼斯-普利斯頓(GP)區(qū)和η′沉淀物，是主要的硬化機(jī)制。這種沉淀硬化受沉淀物的類(lèi)型、形態(tài)、尺寸和分?jǐn)?shù)的影響。特別是沉淀物的形態(tài)方面主要?dú)w因于其界面結(jié)構(gòu)，這控制著合金的力學(xué)性能。由于最近的研究顯示，由于無(wú)序界面結(jié)構(gòu)可以同時(shí)提高強(qiáng)度和延展性，因此揭示了界面結(jié)構(gòu)不僅可以影響沉淀物的大小和分?jǐn)?shù)，還可以影響物理和機(jī)械性能。因此，研究Al-Zn-Mg合金的沉淀物界面結(jié)構(gòu)對(duì)于理解AA 7000系列的物理和力學(xué)性能至關(guān)重要。

Al-Zn-Mg合金的典型沉淀物是η相沉淀物。根據(jù)合金成分的不同，η相沉淀物的沉淀順序被報(bào)道為超飽和固溶體(s.s.s.s.)→GPη′→η′→η(MgZn2)或s.s.s.s.→GPηp→ηp→η(MgZn2)，取決于合金的成分。已經(jīng)報(bào)道了兩種類(lèi)型的GP區(qū)。第一種是GP I區(qū)，它在室溫下形成富溶劑團(tuán)簇，并與Al基體完全共格。與首先由Guinier和Preston在1938年單獨(dú)報(bào)道的Al-Cu合金中形成的GP區(qū)不同，透射電子顯微鏡(TEM)和原子探針層析成像觀察發(fā)現(xiàn)，GP I區(qū)呈現(xiàn)出球形形態(tài)。相比之下，在高空位濃度下形成的GP II區(qū)有兩種類(lèi)型：GPη′和GPηp,形成于(111)Al慣性平面上的富空位團(tuán)簇；當(dāng)淬火溫度高于450°C并老化溫度高于70°C時(shí)，該區(qū)可以形成。GPηp具有特征厚度為7個(gè)原子層和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的雙原子板。迄今為止，對(duì)于GP區(qū)轉(zhuǎn)化為η′的轉(zhuǎn)化機(jī)制還沒(méi)有達(dá)成一致意見(jiàn)，不清楚η′是否是從GP I還是從GP II形成的。最近的原位TEM研究證明，GP I/Al界面可以作為GP II的核化點(diǎn)。

η′具有六角形結(jié)構(gòu)，具有空間群P63/mmc和名義成分為Mg2Zn5-xAl2+x的板狀形態(tài)。最近確定ηp沉淀是硬化相，具有a=b=0.496 nm和c=0.935 nm。η′和ηp轉(zhuǎn)變?yōu)棣?，其單元格結(jié)構(gòu)具有Laves相的多型(C14),具有a=b=0.522 nm,c=0.857 nm的空間群P63/mmc。根據(jù)與Al基體不同的取向關(guān)系，至少有15種η沉淀物，分別用數(shù)字表示。每個(gè)沉淀物具有不同的形態(tài)和大小以及與Al基體獨(dú)特的界面結(jié)構(gòu)，這些已被TEM證實(shí)。在不同取向的η沉淀物中，η1、η2和η4是最常見(jiàn)觀察到的類(lèi)型；特別是，這樣的合金中不到1%沒(méi)有這些類(lèi)型。Allen和Vander Sande認(rèn)為，η4相是在位錯(cuò)上異質(zhì)形成的η相的最常見(jiàn)晶體學(xué)變體。

η的形成提高了腐蝕抗性，但也降低了經(jīng)過(guò)時(shí)效的合金的強(qiáng)度。經(jīng)過(guò)形成η的過(guò)程進(jìn)行時(shí)效可以對(duì)材料的物理和機(jī)械性能產(chǎn)生重大影響，因此控制微結(jié)構(gòu)和沉淀動(dòng)力學(xué)對(duì)于有效地實(shí)現(xiàn)所需的特性非常重要，特別是在AA7xxx合金中。為了理解背后的沉淀動(dòng)力學(xué)和η′到η的轉(zhuǎn)化機(jī)制，研究其取向關(guān)系和界面結(jié)構(gòu)至關(guān)重要。最近，通過(guò)畸變校正的TEM和第一原理計(jì)算，對(duì)η1的界面結(jié)構(gòu)進(jìn)行了密集研究。Cheng等人提出了平面η1/Al基體界面上Mg和Zn原子的共析現(xiàn)象。Ou等人報(bào)道了沿著[0001]η1//[110]Al方向觀察η1/Al基體界面上的Zn替代結(jié)構(gòu)單元的周期性分布。然而，關(guān)于η1的成核過(guò)程存在爭(zhēng)議。它可能從現(xiàn)有的GP區(qū)成核，也可能直接從固溶體中析出而沒(méi)有任何過(guò)渡相。最近，張等人的工作證明了通過(guò)metastable相η1′形成η1的途徑。由于其與Al基體取向關(guān)系與η′相相同，因此η2的形成引起了廣泛關(guān)注。在原位高分辨率TEM觀察到η′到η2的轉(zhuǎn)化證實(shí)了這一假設(shè)。

相對(duì)于η1和η2相，η4相主要通過(guò)非均勻成核形成。由于工業(yè)場(chǎng)所的環(huán)境與通常受控實(shí)驗(yàn)室的環(huán)境不同，因此非均勻成核更容易發(fā)生。因此，對(duì)η4相的研究對(duì)于工業(yè)應(yīng)用非常重要。此外，在環(huán)境友好性方面回收鋁合金很重要，回收過(guò)程中非均勻成核點(diǎn)的數(shù)量會(huì)增加；因此，從非均勻成核的角度研究沉淀物很重要。然而，很少有研究詳細(xì)分析過(guò)η4相的界面結(jié)構(gòu)和形成機(jī)制，這些問(wèn)題仍待闡明。因此，為了完全理解η4的形成及其對(duì)合金整體物理和機(jī)械性能的影響，深入了解界面原子構(gòu)型是非均勻成核形成的必要前提。

在這項(xiàng)工作中，研究者通過(guò)畸變校正掃描透射電鏡(STEM)和第一原理計(jì)算，闡明了這種界面結(jié)構(gòu)的形成起源。在原子水平上觀察了η4相沉淀物的界面，發(fā)現(xiàn)鎂和鋅以小單元聚集在一起形成橋形結(jié)構(gòu)，并同時(shí)具有階梯狀的整體結(jié)構(gòu)。此外，還研究了這種獨(dú)特界面結(jié)構(gòu)的原子構(gòu)型和形成起源。

圖1 Al-5Zn-1.5 Mg合金中析出相的組織與形貌。

圖2 η-4析出物的原子尺度觀察。

圖3 η4和Al的原子柱強(qiáng)度分布。

圖4 平面界面模型和階梯界面模型的第一性原理計(jì)算結(jié)果及相應(yīng)的STEM仿真。

圖5 可能的界面結(jié)構(gòu)的界面能。

圖6 平面和階梯界面的應(yīng)變能。

綜上所述，通過(guò)原子分辨率HAADF-STEM、EDS、STEM模擬和第一原理計(jì)算研究了Al-Zn-Mg合金中η4/Al的獨(dú)特階梯狀界面結(jié)構(gòu)及其形成起源。利用3D斷層掃描技術(shù)觀察到位于{111}Al上的橢圓形片狀η4相沉淀物。揭示了靠近η4/Al界面的原子構(gòu)型是鎂和鋅的共析。在η4/Al界面處檢測(cè)到了偽周期性橋和臺(tái)階，而不管η4相沉淀物的大小如何。使用第一原理計(jì)算揭示了它們的原子結(jié)構(gòu)，并隨后通過(guò)STEM模擬進(jìn)行了驗(yàn)證。第一原理計(jì)算表明，階梯狀界面具有最低的界面形成能，這意味著它是更有利的。此外，界面上出現(xiàn)臺(tái)階結(jié)構(gòu)導(dǎo)致Al和η4的應(yīng)變能同時(shí)降低。因此，Al基體和η4沉淀物可以以相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)共存，形成階梯狀界面。研究者闡明了創(chuàng)建具有獨(dú)特界面結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定界面模式，這為通過(guò)控制沉淀動(dòng)力學(xué)來(lái)定制合金的力學(xué)性能鋪平了道路。（文：水生）