高性能結(jié)構(gòu)材料具有卓越但往往相互排斥的特性組合，例如高屈服強度、延展性和熱穩(wěn)定性，主要通過合成異質(zhì)微結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)。與完全無定形的鋁合金相比，具有分層納米沉淀物的時效硬化鋁合金具有良好的強度和延展性組合，但其熱穩(wěn)定性通常較低，這是因為納米沉淀物在高溫下會在快速擴散元素的驅(qū)動下發(fā)生粗化。

利用鋁基體中的慢擴散元素鉻，來自西安交通大學(xué)的學(xué)者提出了一種在結(jié)晶/非晶界面自組裝鉻偏析的結(jié)晶-非晶共生納米結(jié)構(gòu)（CANS）的新策略，以開發(fā)熱穩(wěn)定性、超強和韌性的鋁合金。共生的CANS-AlCr合金在室溫下具有約15%的均勻?qū)\晶誘導(dǎo)塑性，具有約1.75 GPa的超高抗壓屈服強度和高達約623 K的出色熱穩(wěn)定性，同時優(yōu)于母體納米晶和非晶合金。界面鉻偏析不僅能促進晶體的孿晶塑性，還能引發(fā)界面和無定形納米層之間的動態(tài)元素分配，這對共生CANS-AlCr合金的熱力學(xué)和機械穩(wěn)定性至關(guān)重要。本研究的策略推進了分層納米結(jié)構(gòu)的高效創(chuàng)建，并提供了一條可在原子和納米尺度上進行調(diào)節(jié)的簡便途徑，從而獲得具有多種精確性能的理想材料。相關(guān)工作以題為“Symbiotically engineered crystalline-amorphous nanostructure in a strong-yet-stable Al alloy with large twinning-induced plasticity”的研究性文章發(fā)表在Acta Materialia。

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https://doi.org/10.1016/j.actamat.2023.119192

圖1.設(shè)計簡單鋁基結(jié)晶-非晶納米結(jié)構(gòu)合金的指南。區(qū)域-I（RI）：具有非晶結(jié)構(gòu)形成能力的二元Al-XI（XI=Ti、Zr、Ce、Cr、Mo、W）合金。區(qū)域-II（RII）：二元Al-XII（XII=鐵、錳）合金，具有形成微準晶結(jié)構(gòu)的能力。區(qū)域-III（RIII）：具有結(jié)晶結(jié)構(gòu)形成能力的二元Al-XIII（XIII=Mg、Sc、Co、Ni、Cu、Ag）合金。相應(yīng)數(shù)據(jù)和文獻可參見補充表S1。

圖2.沉積的CANS-AlCr合金的微觀結(jié)構(gòu)特征和成分信息。(a)CANSAlCr合金的典型側(cè)視圖和平面內(nèi)TEM圖像。插圖是從平面內(nèi)TEM試樣中提取的相應(yīng)SAED圖樣。(b)自組裝鯡魚骨狀晶體-非晶體結(jié)構(gòu)示意圖。x-y平面表示合金表面，z軸表示生長方向。平均厚度h和寬度d分別表示沿z軸方向和x-y平面的測量尺寸。(c)結(jié)晶和無定形成分的厚度和寬度分布。(d)CANS-AlCr合金的典型HRTEM圖像，顯示FCC和無定形雙相結(jié)構(gòu)。(e)5納米厚的APT原子圖垂直切片，等成分面（95%-75%）突出顯示富鋁區(qū)域。CAIs標記為黑色虛線。(f)三維原子分布圖，顯示了鋁（紅色）和鉻（蠟筆色）原子的空間分布。(g)沿（f）中箭頭方向的一維成分剖面圖，顯示CAIs處的鉻偏析以及晶粒內(nèi)部鉻的梯度分布。

圖3.CANS-AlCr合金的機械性能。(a)CANS-AlCr合金的一系列代表性工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線。此外還包括純鋁、NC-AlCr和MG-AlCr合金的壓縮曲線，以供比較。如圖所示，MG-AlCr合金的屈服點被定義為第一個應(yīng)變爆發(fā)點。如紅色箭頭所示，CANS-AlCr合金的塑性流動應(yīng)力在應(yīng)變約為15%時達到高點。(b)試樣硬度（按1/3歸一化）、屈服應(yīng)力和彈性模量的比較。(c-f）壓縮后相應(yīng)微柱的掃描電鏡圖像。

圖4.變形CANS-AlCr合金的死后TEM圖像。(a)塑性工程應(yīng)變約為30%的變形支柱的橫截面亮場TEM圖像。支柱發(fā)生剪切變形的區(qū)域稱為剪切區(qū)。(b)和(c)從剪切區(qū)上部拍攝的放大TEM圖像（如圖a所示），顯示了鯡魚骨狀晶體和無定形納米層的共同伸長。結(jié)晶納米層中富含SF的區(qū)域用橙色箭頭和陰影標記。(d)插圖為(b)中的拉長納米晶粒。主面板是橙色框內(nèi)區(qū)域的相應(yīng)反快速傅立葉變換，顯示了晶粒內(nèi)部的一些NT和豐富的SF。

圖5.CANS-AlCr合金的熱穩(wěn)定性。(a)與NCAlCr合金、AIF-AlNiCe合金、NT-AlFe合金和Schwarz-AlMg合金相比，多溫退火后CANS-AlCr合金的硬度變化。(b)CANS-AlCr合金與其他已報道的鋁基材料（包括NC Al合金、NT Al合金、納米復(fù)合材料和NS Al合金）相比的規(guī)格強度與歸一化臨界軟化溫度(Ts/Tm)。

圖6.退火后CANS-AlCr合金的微觀結(jié)構(gòu)特征和基本分區(qū)。(a)和(b)CANSAlCr合金在623 K退火2小時后的相應(yīng)DF-STEM圖像和EDX圖譜。(c)5納米厚的垂直切片APT原子圖，其中CAIs標記為黑色虛線。(d）三維原子分布圖，顯示了鋁（紅色）和鉻（蠟筆色）原子的空間分布。(e)沿（d）中橫線的一維成分剖面圖，顯示CAIs處的鉻損耗。(f)比較軋制（黑點）和退火（橙色點）后的CANS-AlCr合金的成分剖面，顯示FCC和非晶相中各自的基本分區(qū)。(g)從CAI偏析到非晶相的動態(tài)溶質(zhì)分配示意圖。插圖是有界面鉻偏析（黃色陰影）的沉積合金（右上角）和無鉻偏析的退火合金（右下角）的放大基本分布圖（CAI擴散，用黑色虛線簡明標出），顯示了高溫下的去偏析行為。在加熱過程中，從CAI區(qū)域向無定形相（紅色箭頭）的動態(tài)基本分區(qū)通過提高結(jié)晶溫度Tx增強了玻璃相的熱穩(wěn)定性。

圖7.(a)不同鉻濃度的鋁-鉻體系的DFT計算GSFE曲線。(b)與鉻濃度相關(guān)的γUSFE和γUTFE/γUSFE值匯總，分別對應(yīng)于在相鄰(111)平面上成核第一個前沿部分和連續(xù)發(fā)射前沿部分的能障。(c)和(d)分別為具有化學(xué)起伏（c）和均勻（d）結(jié)晶單層的CANS-AlCr合金的MD模擬。結(jié)晶單層和無定形單層分別打印為白色和黃色。中心對稱參數(shù)表征了每個原子周圍的反轉(zhuǎn)對稱破缺程度，用來分別顯示晶體單層和非晶單層中的SF/TB（橙色箭頭）和STZ。CAIs處的STZs（紅色箭頭）因部分位錯成核/吸收而被激活。在模型(c)中，非晶層中的獨立STZ是隨機激活的，如藍色箭頭所示，可以清晰地看到非彈性轉(zhuǎn)變原子的離散原子團。在模型（d）中，獨立的STZ在空間上獲得相關(guān)性，并在非晶層中集體聚集在一起（用綠色框標出）。

圖8.CANS-AlCr合金中與尺寸有關(guān)的塑性變形和強化機制。如黑色箭頭所示，Al-Cr晶體中全位錯轉(zhuǎn)變?yōu)椴糠治诲e的臨界尺寸Dc約為41.1 nm。部分位錯從界面釋放所需的應(yīng)力在~1.55-1.81 GPa之間，與測量的CANS-AlCr合金屈服強度非常一致。剪切帶傳播所需的應(yīng)力估計為~2.54-2.8 GPa，高于目前共生CANS-AlCr合金的測量極限強度。

本研究提出了一種高性能鋁合金的新策略，即通過磁控濺射過程中的元素分區(qū)，構(gòu)建具有自組裝界面偏析和成分起伏的共生結(jié)晶-非晶雙相納米結(jié)構(gòu)。相鄰兩個納米級相之間的相互作用是由界面偏析的鉻原子引發(fā)的，它們以共生的方式改變了各自的性質(zhì)，從而實現(xiàn)了兼容共變形，在晶體-非晶態(tài)納米結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生了協(xié)同效應(yīng)。具體來說，在我們的共生CANS-AlCr合金中，超高屈服強度~1.75 GPa和大均勻塑性~15%的組合來自納米級結(jié)晶-非晶結(jié)構(gòu)的協(xié)同強化和延展，即結(jié)晶相的孿生誘導(dǎo)塑性和非晶相的均勻塑性流動。共生概念不僅在鋁-鉻合金的非平衡合成過程中得以實現(xiàn)，而且還通過鉻原子從鉻偏析CAIs到非晶相的動態(tài)分配得以實現(xiàn)，這有助于在高溫下形成具有更高機械剛度的穩(wěn)定CANS。（文：SSC）