金属所研究发现工程合金形变过程中第二相分解新机制

　　早在上世纪三十年代，凝聚态物理学家就提出了晶体中有关位错的理论，并把位错与晶体在生长当中的某些特定现象以及材料的力学行为定性地联系起来。然而，对位错的直接观察和实验验证直到1956年当时新一代透射电子显微镜的出现才得以实现。

　　工程合金大都是由多组元合金相构成。弥散分布的析出相强化是工程合金的重要强化机制之一。其中的小尺度析出相通常具有复杂的晶体结构，因其对基体中位错滑移的阻碍从而使材料的强度得以提高。然而，在过去的几十年里，人们在珠光体钢及Al合金等多种工程合金中相继发现小尺度的第二相在材料的形变过程中普遍发生部分分解。形变致使第二相的部分分解使材料偏离了原来人们对其设计的组织结构及预期的使役行为，是材料科学与工程领域中经典的基础科学问题之一。尽管长期以来主要有两种机制(“切割”机制和“绕过”机制)普遍被人们用来描述基体中位错与小尺度析出相之间的交互作用，但却几乎不考虑材料在形变过程中析出相内部可能产生的位错及其特殊的滑移行为。

　　最近，中科院金属所沈阳材料科学国家(联合)实验室固体原子像研究部马秀良研究员领导的研究小组(包括博士生杨兵、周杨韬和陈东副研究员)利用具有高的空间分辨率及能量分辨率的透射电子显微镜并结合分子动力学研究，发现形变使Al-Cu 合金中的具有四方结构的Al2Cu析出相内部产生10~20纳米宽度的扩展位错；构成这些扩展位错的不全位错在形变条件下的运动致使其滑移经过的区域发生成分及结构的变化，进而导致局域相分解。

　　这一发现表明，基于单质金属建立起来的位错理论，不能准确地描述位错在复杂化合物及合金相中的结构及其运动行为，原因在于在复杂结构相里，布拉菲点阵中的一个阵点实际上代表的是由多组元和多原子组成的原子团(或称结构单元)。对复杂结构相而言，同类或异类原子在位错的核芯处需要进行重新组合甚至形成非化学计量比的新的结构单元从而降低弹性应力场的作用。因此，位错核芯处的原子结构以及位错滑移形式随位错类型以及具体的晶体结构等参量的变化必然表现出多种不同的形式。此外，该课题组在近年来的系统研究中还发现Al2Cu局域相分解的物理过程强烈依赖于具体的滑移系类型，这是因为位错芯的原子结构在不等价的滑移系中截然不同。这项工作不但使人们对复杂合金相中的位错及其滑移行为有了新的理解，为位错理论增添新的知识，同时也使人们对工程合金在形变过程中第二相的分解机制有了新的认识，对探索长期处于高载荷条件下的金属结构材料的性能、结构、以及成分设计具有重要意义。