纳米结构铝硅合金强韧化微观机制的三维透射电镜研究

Achieving optimum combination of strength and ductility is an important goal for high strength nanostructured metals and alloys. Our recent studies have shown that high strength and ductility can be obtained in nanostructured Al-1%Si alloy with dispersion of Si nanoparticles. The interaction of dislocations with Si nanoparticles and grain boundaries is considered to play a role in the enhanced strength and ductility combination. To reach a conclusive conclusion requires a precise 3D characterization of morphology and spatial distribution of nanoparticles and dislocation structures. In this project, we apply 3D TEM techniques, including bright field image tomography and weak beam dislocation tomography, to map the spatial distribution of Si nanoparticles and dislocation structures with an aim to understand the interaction mechanisms between the nanoparticles and dislocations during plastic deformation. The results will bring new insight into the mechanisms controlling the strength and ductility in nanostructured alloys with dispersion of nanoparticles and provide guidance for the development of advanced structural alloys.

在高强度基础上实现强塑性匹配是纳米结构金属材料研究的重要目标。在纳米结构Al-1%Si合金中引入在晶界择优析出和晶内弥散分布的纳米Si颗粒可使材料在获得高强度的同时保持良好的塑性，这可能与塑性变形过程中形变位错与上述具有特征分布的纳米Si颗粒及晶界的强烈交互作用有关。为深入理解这种交互作用，需要对晶界和基体中纳米Si 颗粒的三维分布特性、形变位错的三维组态及其随应变的演化进行精确表征。传统透射电镜表征方法具有重叠投影效应，无法实现对微观结构的三维表征。本项目采用透射电镜衍衬像三维重构技术，分别精确表征纳米结构Al-1%Si合金中纳米Si颗粒的三维分布和位错结构的三维组态，建立纳米Si颗粒三维分布特征和位错结构三维特征随应变演化的相互关系，从而阐明塑性变形过程中位错与颗粒的交互作用机理及其对材料加工硬化和强塑性的关系。研究结果将丰富三维材料科学，并为优化设计纳米结构材料提供理论指导。

本项目按计划制备了纳米结构Al-1%Si合金材料，采用衍衬像重构方法获得了纳米Si颗粒和位错界面三维重构像，研究了纳米Si颗粒的三维分布特征和小角度位错界面的位错组分和三维构型；以形变纯铝中的几何必须界面和伴生位错界面为对象，研究了具有四边、五边和六边形位错网络界面的位错组分和三维构型，揭示了三维位错结构与晶体取向差之间的关系；以商用Al-Cu-Mg合金为模型材料，进一步改进了位错三维重构技术思路，优化了位错三维重构算法和可视化方法，建立了位错三维高通量表征新方法。在技术探索和开发的基础上，系统研究了Al-Cu-Mg合金中本征位错和界面位错的形态与晶体学特征，揭示了各类本征位错和位错界面的形成与演化机理。项目研究的亮点在于，在集成透射电镜位错三维重构技术及关联晶体学分析方法的基础上，发展了一种具备几何特征、晶体学特征和能量特征“三位一体”表征能力的位错三维高通量表征新技术，为未来系统研究材料科学中位错相关基础科学问题提供了新的技术思路。