最近我在德国博士期间的工作得以在《自然亚洲材料》公开发表，这个工作有两个主要贡献[1]：1，制备出了目前最高强度的块体铝合金。2，证明了限制效应可以防止高强度脆性材料过早失效进而提高整体材料的强度。

1，自从Alfred Wilm在1901年发现时效强化以来，发展高强度铝合金一直受到世界各国的广泛关注。

最近德国IFW-Dresden和中科院金属所，日本东北大学合作，制备出目前为止强度最高的块体铝合金。该铝合金的屈服强度可以达到~1.7 GPa，杨氏模量可以达到120GPa，从而获得极高的比强度和比杨氏模量 (Figure 1)。该合金在350摄氏度时，强度还能达到1GPa以上。

主要制备方法：雾化制备非晶粉末+球磨改变非晶粉末的性质+热压制备出块体材料。其中关键部分球磨，它可以改变非晶粉末的微观组织和热稳定性能[2]进而改变热压之后块体材料的微观组织。

这个制备工艺是典型的粉末冶金方法，目前已经广泛用于制备金属材料和金属基复合材料，例如美国的DWA 公司就采用类似的方法制备直径为20英尺，重量为850磅的铝基复合材料。尽管该高强度暂时只在压缩状态下获得，但是它反映了铝合金强度的潜力或者极限，而且它还反应了驱动塑性变形的应力大小，同时屈服强度由于对缺陷的敏感度相对较低，可以反映材料的本征强度。

2， 本工作另外一个重要发现是证明了限制效应可以防止高强度脆性材料组元过早失效进而提高整体材料的强度。

通常高强度脆性材料表现出一定的限制效应，例如金属玻璃，纳米晶合金，陶瓷和金属间化合物等。对于韧性基体材料，限制效应较小从而对强度的影响几乎可以忽略，例如金属基复合材料。然而，当限制效应比较大时，它能够明显提高材料的强度。金属间化合物是脆性相，其强度对缺陷非常敏感，通常在达到其本征强度之前就已经断裂 (premature fracture)。

在本工作制备的铝合金中，亚微米尺寸的金属间化合物均匀的分布在基体纳米晶面心立方铝中，并且各相的界面结合完美。由于在制备以及加载过程中导入的限制压力，从而在加载过程中对金属间化合物以及纳米晶铝产生了限制效应，从而避免了各相的premature fracture，进而提高了材料的整体强度。这些我们在实验中都得到了证实。例如我们发现材料硬度的实验值高于由各相硬度通过混合规律计算出来的理论值(Figure 2)。更重要的是我们发现金属间化合物发生了塑性变形，弯曲一定的角度而没有断裂(Figure 3)，表明金属间化合物因为周围铝的限制效应避免了premature fracture。

Figure 1.Comparison between the present alloysand other Al alloys withthe compressiveultimate strength versus testing temperature. Data on the other materials aretaken from the literatures. Ashby map of specific yield strength versusspecific Young’s modulus.

Figure 2. Schematicillustration of the strengthening mechanism.

Figure 3. HRTEM image of the rod-likeintermetallic and one-dimensional Fourier-filtered image showing bending.

References

[1] Z. Wang, R.T. Qu, S. Scudino, B.A. Sun, K.G. Prashanth,D.V. Louzguine-Luzgin, M.W. Chen, Z.F. Zhang, J. Eckert.

Hybrid nanostructuredaluminum alloy with super-high strength, NPGAsia Mater 7 (2015) e229.

[2] Z. Wang, K. Prashanth, S. Scudino, J.He, W. Zhang, Y. Li, M. Stoica, G. Vaughan, D. Sordelet, J. Eckert. Effect of ball milling on structureand thermal stability of Al₈₄Gd₆Ni₇Co₃glassy powders. Intermetallics 46 (2014)97-102.

文章链接:2015年12月4日《自然亚洲材料》

http://www.nature.com/am/journal/v7/n12/index.html

文章summary链接:Alloys: microstructuring makes aluminum stronger

http://www.nature.com/am/latest.html

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王智博士简介：

东北大学，副研究员，研究方向：金属结构材料

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