【Mat Cha】南京理工大学|打破 “强塑跷跷板”!TiB₂颗粒如何让铝基合金逆袭

 摘要

引入纳米颗粒（NPs）通常会提高复合材料的强度，但会降低其塑性。本研究在TiB₂纳米颗粒增强的Al-Zn-Mg-Cu复合材料中打破了这种权衡，实现了强度和塑性的同步提升。通过系统研究微观组织演化和应变硬化行为，我们揭示了NP的添加如何调控位错动力学和塑性。关键的是，复合材料的塑性表现出非单调变化趋势，在3 wt%的添加量时达到峰值，此时复合材料在强度和塑性上均超过了未增强的基体合金。我们通过建立一个基于物理的模型，纳入NP依赖的位错回复动力学，合理解释了这种协同作用。该模型定量解释并准确分析了塑性变化趋势：在低NP含量（1-3 wt%）时，NPs延缓位错回复，推迟颈缩的发生；而在高NP含量（5 wt%）时，回复过程加快。微观结构分析表明，低NP添加抑制了局部滑移带的产生，促进位错均匀分布，从而稳定塑性流动。这项工作深化了对位错-NP相互作用的基本理解，并提供了一种通过NP诱导的位错动力学来设计高性能金属基复合材料的评估工具。

图文赏析

图1. 合金设计、复合材料粒径分布及合金与纳米颗粒/铝复合材料的制备。(a) 使用JMatPro软件计算的Al-8.4Zn-1.9Mg-xCu合金中相含量与Cu含量的变化关系；(b) 设计的Al-8.4Zn-1.9Mg-0.9Cu合金的凝固过程计算；(c) 合金与纳米颗粒/铝复合材料的制备工艺；(d) 通过激光粒度分析仪测量的颗粒尺寸分布；(e) 颗粒分布的HADDF（高角度环形暗场）图像。

图3. 制备态铝合金与NP/Al复合材料的SEM显微照片及对应SEM-EDS面分布图。(a1-d1) SEM图像；(a2-d2) 高倍率下的SEM图像；(a3-d3) 对应(a2-d2)的SEM-EDS面分布图。

图4. 峰值时效铝合金与NP/Al复合材料的EBSD反极图。(a-d) EBSD 反极图//Z方向；(e-h) EBSD 反极图//X方向；(i-l) 铝晶粒尺寸分布；(m) {001}晶面与{111}晶面的极图。

图5. 峰值时效态铝合金与NP/Al复合材料的EBSD与TEM分析：(a-d) EBSD KAM图；(e-h) 位错密度分布图；(i-l) 显示MPs的TEM显微照片；(m) 平均GND密度；(n) 平均析出相尺寸。

图6. 透射电子显微镜（TEM）显微照片及示意图。（a）TiB2颗粒的TEM显微照片；（b）析出物的TEM显微照片；（c）基于微观结构表征，展示TiB2颗粒对析出物及颗粒分布影响的示意图。

图7. 峰值时效铝合金与NP/Al复合材料的力学性能。(a) 典型真应变-应力曲线；(b) 加工硬化率与扣除屈服应力的流变应力变化关系；(c) 拉伸性能与文献报道的合金及AMCs对比[1,11,27,[46], [47], [48], [49], [50], [51], [52]]。

图10. 铝合金(a-d)、1NP/Al复合材料(e-h)和5NP/Al复合材料(i-l)的位错演化示意图。

结论

制备了三种不同TiB₂纳米颗粒（NPs）含量的增强铝基复合材料及其对应基体合金，并对合金与复合材料的微观组织演变和力学性能进行了研究。主要结论归纳如下：（1）TiB₂纳米颗粒可细化晶粒（从基体合金的12.9 μm细化至5NP/Al复合材料的7.0 μm），并提高几何必需位错（GND）密度（从基体合金的8.8×10¹³ m⁻²提升至5NP/Al复合材料的18.8×10¹³ m⁻²），从而增强材料强度，但延伸率呈现非单调变化趋势（峰值位于3 wt% NPs含量）。（2）通过引入与纳米颗粒相关的位错回复速率修正因子（fNP₂），建立了一个修正的物理模型，定量解释了延伸率的变化规律。在1NP/Al复合材料中，fNP₂ < 1使得位错回复速率低于基体合金，从而延迟颈缩发生。（3）微观结构表征证实，低含量纳米颗粒通过抑制基体合金中易形成的滑移带，降低位错动态回复速率，从而提高延伸率；而高含量纳米颗粒（5 wt%）则通过促进形成均匀的位错结构（包括位错缠结/胞状组织），加速位错回复。这些发现不仅深化了对纳米颗粒-位错相互作用的理解，也为高性能铝基复合材料中纳米颗粒添加对位错回复和拉伸塑性的影响提供了重要见解。未来工作将重点探究纳米颗粒空间分布效应及高温行为，以拓展材料应用范围。

文献链接：

https://doi.org/10.1016/j.matchar.2025.115809

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