鋁基復合材料具有優(yōu)異的比強度和比模量，然而長期存在強度-延性倒置的科學瓶頸。目前，由具有不同物理或機械性能疇/晶粒組成的異質(zhì)結(jié)構(gòu)金屬通過異質(zhì)變形誘導（Hetero-deformation Induced，HDI）強化大幅提高了力學性能。在鋁基復合材料中構(gòu)建異質(zhì)晶粒結(jié)構(gòu)能夠促進粗晶/細晶異質(zhì)界面累積大量幾何必需位錯（GNDs），從而提高復合材料強度。但傳統(tǒng)方法制備獲得的鋁基復合材料中增強相通常沿晶界分布，這種晶間增強相的引入會進一步提高異質(zhì)晶粒界面的應力狀態(tài)，導致塑性變形局域化。

當前，構(gòu)建晶內(nèi)增強相在調(diào)節(jié)復合材料應力/應變分配、改善復合材料綜合力學性能方面表現(xiàn)出良好前景。晶內(nèi)增強相提升了晶粒內(nèi)部位錯存儲能力，有利于緩解晶界處應力累積，并維持連續(xù)的應變硬化。此外，晶內(nèi)增強相也會改變近鄰微區(qū)的位錯運動/增殖行為，從而影響局部應力狀態(tài)。目前已有研究工作主要關(guān)注增強相特性與復合材料宏觀力學性能之間的關(guān)聯(lián)，增強相近鄰微區(qū)的介觀尺度力學性能研究有待深入。

近期，天津大學納米及復合材料研究團隊基于Al-CuO固相原位反應，原位構(gòu)筑了異質(zhì)晶粒結(jié)構(gòu)和晶內(nèi)納米增強相（Al2O3），以此為模型材料，通過準靜態(tài)拉伸和納米壓痕試驗，研究了晶內(nèi)增強相對復合材料宏觀和介觀尺度力學性能的影響，揭示了晶內(nèi)納米增強相在提升異質(zhì)結(jié)構(gòu)金屬協(xié)同變形方面的獨特作用，并闡明了微區(qū)蠕變機理。相關(guān)工作以題為“Macro-and meso-mechanic investigations on the mechanical properties of heterostructured Al matrix composites featuring intragranular reinforcement”的研究論文發(fā)表在Materials Research Letters上。論文的第一作者為碩士研究生趙陽，通訊作者為戎旭東副研究員和趙冬冬副教授，第一通訊單位為天津大學。

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https://doi.org/10.1080/21663831.2024.2340635

圖1.Al-5CuO復合材料微觀組織及宏觀和介觀尺度力學性能。

圖2.（a）Al-5CuO復合材料和Al-4Cu合金的XRD圖譜；（b）Al-4Cu合金和（c）Al-5CuO復合材料的EBSD取向圖；（c）基于EBSD表征得到的晶粒尺寸統(tǒng)計圖；（e）Al-4Cu合金和（g）Al-5CuO復合材料的晶粒結(jié)構(gòu)；（f）Al-4Cu合金和（h）Al-5CuO復合材料的沉淀相形貌；（i）Al-5CuO復合材料中原位形成的晶內(nèi)納米Al2O3增強相。

圖3.（a）Al-5CuO復合材料和Al-4Cu合金的工程應力-應變曲線。Al-5CuO復合材料變形過程中的位錯形貌：（b）~（d）粗晶和細晶中的位錯分布;（e）Al2O3與位錯的交互作用；（f）位錯在異質(zhì)界面處的堆積。

圖4.納米壓痕實驗結(jié)果：（a）Al-5CuO復合材料壓痕形貌；（b）納米壓痕載荷-位移曲線；（c）納米壓痕模量統(tǒng)計圖；（d）納米壓痕硬度統(tǒng)計圖；（e）納米壓痕蠕變載荷-位移曲線；（b）納米壓痕蠕變保持時間-位移曲線。

本文基于Al-CuO反應體系，通過變速球磨結(jié)合反應燒結(jié)制備了晶內(nèi)納米相增強的異質(zhì)晶粒鋁基復合材料。以其為模型材料，通過對比實驗研究了晶內(nèi)增強相對復合材料宏觀和介觀力學性能的影響。結(jié)果顯示Al-5CuO復合材料的極限抗拉強度和斷裂延伸率分別為~553 MPa和12.5%，其優(yōu)良的綜合力學性能一方面來源于在變形過程中為了協(xié)調(diào)不同尺寸晶粒/疇之間應變梯度所引起的HDI強化；另一方面來源于晶內(nèi)納米Al2O3與位錯的交互作用促進了位錯在晶內(nèi)累積。納米壓痕實驗結(jié)果顯示，Al-5CuO復合材料的硬度和模量值均高于Al-4Cu合金，且離散程度更小，這表明晶內(nèi)增強相不僅能夠提升材料微區(qū)強度還能夠協(xié)調(diào)/匹配不同尺寸晶粒的變形抗力。蠕變應力指數(shù)（n）和激活體積（V*）分析結(jié)果表明，位錯與晶界/第二相的交互作用是Al-5CuO復合材料的主要蠕變機制，晶內(nèi)Al2O3對可動位錯的阻礙提高了復合材料的蠕變抗力。