金屬所研究發現工程合金形變過程中第二相分解新機制

　　早在上世紀三十年代，凝聚態物理學家就提出了晶體中有關位錯的理論，并把位錯與晶體在生長當中的某些特定現象以及材料的力學行為定性地聯系起來。然而，對位錯的直接觀察和實驗驗證直到1956年當時新一代透射電子顯微鏡的出現才得以實現。

　　工程合金大都是由多組元合金相構成。彌散分布的析出相強化是工程合金的重要強化機制之一。其中的小尺度析出相通常具有復雜的晶體結構，因其對基體中位錯滑移的阻礙從而使材料的強度得以提高。然而，在過去的幾十年里，人們在珠光體鋼及Al合金等多種工程合金中相繼發現小尺度的第二相在材料的形變過程中普遍發生部分分解。形變致使第二相的部分分解使材料偏離了原來人們對其設計的組織結構及預期的使役行為，是材料科學與工程領域中經典的基礎科學問題之一。盡管長期以來主要有兩種機制(“切割”機制和“繞過”機制)普遍被人們用來描述基體中位錯與小尺度析出相之間的交互作用，但卻幾乎不考慮材料在形變過程中析出相內部可能產生的位錯及其特殊的滑移行為。

　　最近，中科院金屬所沈陽材料科學國家(聯合)實驗室固體原子像研究部馬秀良研究員領導的研究小組(包括博士生楊兵、周楊韜和陳東副研究員)利用具有高的空間分辨率及能量分辨率的透射電子顯微鏡并結合分子動力學研究，發現形變使Al-Cu 合金中的具有四方結構的Al2Cu析出相內部產生10~20納米寬度的擴展位錯；構成這些擴展位錯的不全位錯在形變條件下的運動致使其滑移經過的區域發生成分及結構的變化，進而導致局域相分解。

　　這一發現表明，基于單質金屬建立起來的位錯理論，不能準確地描述位錯在復雜化合物及合金相中的結構及其運動行為，原因在于在復雜結構相里，布拉菲點陣中的一個陣點實際上代表的是由多組元和多原子組成的原子團(或稱結構單元)。對復雜結構相而言，同類或異類原子在位錯的核芯處需要進行重新組合甚至形成非化學計量比的新的結構單元從而降低彈性應力場的作用。因此，位錯核芯處的原子結構以及位錯滑移形式隨位錯類型以及具體的晶體結構等參量的變化必然表現出多種不同的形式。此外，該課題組在近年來的系統研究中還發現Al2Cu局域相分解的物理過程強烈依賴于具體的滑移系類型，這是因為位錯芯的原子結構在不等價的滑移系中截然不同。這項工作不但使人們對復雜合金相中的位錯及其滑移行為有了新的理解，為位錯理論增添新的知識，同時也使人們對工程合金在形變過程中第二相的分解機制有了新的認識，對探索長期處于高載荷條件下的金屬結構材料的性能、結構、以及成分設計具有重要意義。