利用铝基体中的慢扩散元素铬，来自西安交通大学的学者提出了一种在结晶/非晶界面自组装铬偏析的结晶-非晶共生纳米构造（CANS）的新策略，以开拓热稳定性、超强和韧性的铝合金。共生的 CANS-AlCr 合金在室温下具有约 15% 的均匀孪晶勾引塑性，具有约 1.75 GPa 的超高抗压屈从强度和高达约 623 K 的出色热稳定性，同时优于母体纳米晶和非晶合金。界面铬偏析不仅能促进晶体的孪晶塑性，还能引发界面和无定形纳米层之间的动态元素分配，这对共生 CANS-AlCr 合金的热力学和机器稳定性至关主要。本研究的策略推进了分层纳米构造的高效创建，并供应了一条可在原子和纳米尺度上进行调节的简便路子，从而得到具有多种精确性能的空想材料。干系事情以题为“Symbiotically engineered crystalline-amorphous nanostructure in a strong-yet-stable Al alloy with large twinning-induced plasticity”的研究性文章揭橥在Acta Materialia。
论文链接：
https://doi.org/10.1016/j.actamat.2023.119192
图 1. 设计大略铝基结晶-非晶纳米构造合金的指南。区域-I（RI）：具有非晶构造形成能力的二元Al-XI（XI = Ti、Zr、Ce、Cr、Mo、W）合金。区域-II（RII）：二元 Al-XII（XII = 铁、锰）合金，具有形成微准晶构造的能力。区域-III（RIII）：具有结晶构造形成能力的二元 Al-XIII（XIII = Mg、Sc、Co、Ni、Cu、Ag）合金。相应数据和文献可拜会补充表 S1。
图 2. 沉积的 CANS-AlCr 合金的微不雅观构造特色和身分信息。(a) CANSAlCr 合金的范例侧视图和平面内 TEM 图像。插图是从平面内 TEM 试样中提取的相应 SAED 图样。(b) 自组装鲱鱼骨状晶体-非晶体构造示意图。x-y 平面表示合金表面，z 轴表示成长方向。均匀厚度 h 和宽度 d 分别表示沿 z 轴方向和 x-y 平面的丈量尺寸。(c) 结晶和无定形身分的厚度和宽度分布。(d) CANS-AlCr 合金的范例 HRTEM 图像，显示 FCC 和无定形双相构造。(e) 5 纳米厚的 APT 原子图垂直切片，等身分面（95% - 75%）突出显示富铝区域。CAIs 标记为玄色虚线。(f) 三维原子分布图，显示了铝（赤色）和铬（蜡笔色）原子的空间分布。(g) 沿（f）中箭头方向的一维身分剖面图，显示 CAIs 处的铬偏析以及晶粒内部铬的梯度分布。
图 3. CANS-AlCr合金的机器性能。(a) CANS-AlCr 合金的一系列代表性工程应力-应变曲线。此外还包括纯铝、NC-AlCr 和 MG-AlCr 合金的压缩曲线，以供比较。如图所示，MG-AlCr 合金的屈从点被定义为第一个应变爆发点。如赤色箭头所示，CANS-AlCr 合金的塑性流动应力在应变约为 15%时达到高点。(b) 试样硬度（按 1/3 归一化）、屈从应力和弹性模量的比较。(c-f）压缩后相应微柱的扫描电镜图像。
图 4. 变形 CANS-AlCr 合金的去世后 TEM 图像。(a) 塑性工程应变约为30% 的变形支柱的横截面亮场 TEM 图像。支柱发生剪切变形的区域称为剪切区。(b)和(c) 从剪切区上部拍摄的放大TEM 图像（如图 a 所示），显示了鲱鱼骨状晶体和无定形纳米层的共同伸长。结晶纳米层中富含 SF 的区域用橙色箭头和阴影标记。(d) 插图为 (b) 中的拉长纳米晶粒。主面板是橙色框内区域的相应反快速傅立叶变换，显示了晶粒内部的一些 NT 和丰富的 SF。
图 5. CANS-AlCr 合金的热稳定性。(a) 与NCAlCr 合金、AIF-AlNiCe 合金、NT-AlFe合金和 Schwarz-AlMg 合金比较，多温退火后CANS-AlCr 合金的硬度变革。(b) CANS-AlCr 合金与其他已宣布的铝基材料（包括 NC Al 合金、NT Al 合金、纳米复合股料和 NS Al 合金）比较的规格强度与归一化临界软化温度 (Ts/Tm)。
图 6. 退火后 CANS-AlCr 合金的微不雅观构造特色和基本分区。(a) 和 (b) CANSAlCr 合金在 623 K 退火 2 小时后的相应DF-STEM 图像和 EDX 图谱。(c) 5 纳米厚的垂直切片 APT 原子图，个中 CAIs 标记为玄色虚线。(d）三维原子分布图，显示了铝（赤色）和铬（蜡笔色）原子的空间分布。(e) 沿（d）中横线的一维身分剖面图，显示 CAIs 处的铬损耗。(f) 比较轧制（黑点）和退火（橙色点）后的 CANS-AlCr 合金的身分剖面，显示 FCC 和非晶相中各自的基本分区。(g) 从 CAI 偏析到非晶相的动态溶质分配示意图。插图是有界面铬偏析（黄色阴影）的沉积合金（右上角）和无铬偏析的退火合金（右下角）的放大基本分布图（CAI 扩散，用玄色虚线简明标出），显示了高温下的去偏析行为。在加热过程中，从 CAI 区域向无定形相（赤色箭头）的动态基本分区通过提高结晶温度 Tx 增强了玻璃相的热稳定性。
图 7. (a) 不同铬浓度的铝-铬体系的DFT 打算 GSFE 曲线。(b) 与铬浓度干系的γUSFE 和 γUTFE/γUSFE值汇总，分别对应于在相邻 (111) 平面上成核第一个前沿部分和连续发射前沿部分的能障。(c)和(d)分别为具有化学起伏（c）和均匀（d）结晶单层的 CANS-AlCr 合金的 MD 仿照。结晶单层和无定形单层分别打印为白色和黄色。中央对称参数表征了每个原子周围的反转对称破缺程度，用来分别显示晶体单层和非晶单层中的 SF/TB（橙色箭头）和 STZ。CAIs处的 STZs（赤色箭头）因部分位错成核/接管而被激活。在模型(c)中，非晶层中的独立 STZ 是随机激活的，如蓝色箭头所示，可以清晰地看到非弹性转变原子的离散原子团。在模型（d）中，独立的 STZ 在空间上得到干系性，并在非晶层中集体聚拢在一起（用绿色框标出）。
图 8. CANS-AlCr 合金中与尺寸有关的塑性变形和强化机制。如玄色箭头所示，Al-Cr 晶体中全位错转变为部分位错的临界尺寸 Dc 约为 41.1 nm。部分位错从界面开释所需的应力在 ~1.55 - 1.81 GPa 之间，与丈量的 CANS-AlCr 合金屈从强度非常同等。剪切带传播所需的应力估计为 ~2.54 - 2.8 GPa，高于目前共生 CANS-AlCr 合金的丈量极限强度。
本研究提出了一种高性能铝合金的新策略，即通过磁控溅射过程中的元素分区，构建具有自组装界面偏析和身分起伏的共生结晶-非晶双相纳米构造。相邻两个纳米级相之间的相互浸染是由界面偏析的铬原子引发的，它们以共生的办法改变了各自的性子，从而实现了兼容共变形，在晶体-非晶态纳米构造中产生了协同效应。详细来说，在我们的共生 CANS-AlCr 合金中，超高屈从强度 ~1.75 GPa 和大均匀塑性 ~15% 的组合来自纳米级结晶-非晶构造的协同强化和延展，即结晶相的孪生勾引塑性和非晶相的均匀塑性流动。共生观点不仅在铝-铬合金的非平衡合成过程中得以实现，而且还通过铬原子从铬偏析 CAIs 到非晶相的动态分配得以实现，这有助于在高温下形成具有更高机器刚度的稳定 CANS。（文：SSC）
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