全文速览

背景介绍

强度-塑/韧性倒置是制约铝基复合材料发展的重大难题。向铝基体中引入增强体虽然显著强化了铝/铝合金基体，但也限制了基体局部塑性变形。近年来通过调整晶粒尺寸分布，从而使金属的强度/塑性达到平衡的设计思路取得了长足发展；此外，构筑晶内弥散增强体也可以显著改变位错行为，提高复合材料加工硬化能力。

本文亮点

图文解析

图1 Al-Mg-CuO复合材料组织结构特征和形成机制。（a）MH结构和均匀（NH）结构复合材料的形成机制示意图；（b-c）MH和NH复合材料基体的EBSD-IPF表征；（d）MH复合材料晶粒结构的STEM表征；（e）MH和NH复合材料的晶粒尺寸统计；（f）MH复合材料中的代表性细晶STEM图像；（f1-f4）图（f）中细晶的的EDS表征；（g）MgO颗粒的HRTEM表征；（h）MgO尺寸统计；（i）沉淀相θ的HRTEM表征；（j）θ相尺寸统计。

要点2：多级异质结构和MgO增强体的强化效果使复合材料具有696 MPa的抗拉强度和9.4%的断裂延伸率，显著的加工硬化能力使MH复合材料的强度、塑性均高于均质材料。MH材料的拉伸曲线呈现出明显的三阶段：弹性变形阶段、不连续屈服阶段和加工硬化/断裂阶段。通过循环加卸载实验和相关计算可得出不同应变量对应的HDI应力，统计结果表明HDI应力随应变增长，约占流变应力的1/2。

图2复合材料力学性能。（a）工程应力-应变曲线；（b）MH复合材料与其他相关体系体系的力学性能比较；（c）MH结构和均匀结构材料的应变硬化率；（d）MH结构和均匀结构的循环加卸载曲线；（e）图（d）中MH复合材料的其中一个卸载-加载滞后回路；（f）不同应变下MH和均匀结构复合材料的HDI应力和有效应力值。

图3 MH复合材料不同应变状态下微观组织变化过程。（a~e）阶段Ⅰ，弹性变形阶段：(a) 粗晶片层STEM表征；（b）粗晶区内的典型粗晶；（c）粗晶内MgO颗粒的HRTEM表征；（d）（c）中区域D的IFFT表征；（e）细晶区表征。（f~g）阶段Ⅱ，不连续屈服阶段：（f）粗晶片层的整体形貌；（g）（f）中区域G的表征；（h）细晶区域的整体形貌；（i）（h）中区域I的表征；（j）（f）中区域J的表征；（k~m）阶段Ⅲ，断裂阶段：（k）基体STEM表征，插图为对应的DF-STEM图片；（l）典型细晶，插图为晶内MgO的TEM表征；（m）含有位错胞的细晶。

要点4：粗晶片层中的位错墙结构随着变形量加大不断吸收可动位错形成位错胞，并进一步引发动态再结晶，低位错密度的再结晶晶粒赋予了材料额外加工硬化能力。晶内MgO通过Orowan效应和引发弹性应变场有效阻碍了位错滑移，提高了晶内储存位错的能力，优化晶内、晶界的应力/应变分配，抑制晶界附近的应力集中；同时，多级异质结构通过粗晶片层的早期塑性变形实现应变离域，实现了复合材料长程区域内的塑性变形，从而提升材料的整体塑性和加工硬化能力。

图4 MH复合材料的EBSD表征。（a）未变形和（b）断裂MH复合材料的再结晶晶粒分布及大小角度晶界分布图；（c）断裂MH复合材料的局部取向差分布图；MH材料在无应变和断裂时的（d）不同晶粒状态占比统计图和（e）不同角度晶界占比统计图；（f）MH和均质复合材料的Schmid因子对比图；（g）MH复合材料在应变变形过程中的微观结构演化示意图。

作者介绍

引用本文