[论文解读] Enabling plastic co-deformation of disparate phases in a laser rapid solidified Sr-modified Al-Si eutectic through partial-dislocation-mediated-plasticity in Si

Arkajit Ghosh, Wenqian Wu+3 more|arXiv (Cornell University)|Jul 30, 2023

Advanced Surface Polishing TechniquesEngineering参考文献 54被引用 3

一句话总结

本研究通过在纳米孪晶硅纤维中实现部分位错介导的塑性，展示了激光快速凝固、锶（Sr）改性铝硅共晶中塑性共变形的现象。激光凝固与锶掺杂的结合降低了硅纤维的佩尔斯势垒和长径比，抑制了裂纹形成，实现了高达26%应变的稳定塑性变形，压缩屈服强度约为840 MPa，硬度达2.9 GPa。

ABSTRACT

Nano-scale eutectics, such as rapid solidified Al-Si, exhibit enhanced yield strength and strain hardening but plasticity is limited by cracking of the hard phase (Si). Mechanisms that may suppress cracking and enable plastic co-deformation of soft and hard phases are key to maximizing plasticity in these high-strength microstructures. Using a combination of laser rapid solidification and chemical (Sr) modification, we have synthesized fully eutectic Al-Si microstructures with heavily twinned Si nano-fibers that exhibit high hardness up to 2.9 GPa, and high compressive flow strength (~840 MPa) with stable plastic flow to ~26% plastic strain. After deformation, the hard Si(Sr) fibers did not exhibit cracks, but a high density of stacking faults were observed in the Si(Sr) fibers suggesting partial dislocation mediated plasticity. Mechanisms for suppression of cracking and activation of partial dislocations in Si deformed at room temperature are discussed in terms of nanoscale fiber geometry with reduced aspect ratio and lowering of the Peierls barrier in chemically-modified, nano-twinned Si fibers.

研究动机与目标

• 为克服高强度铝硅共晶复合材料中因硅相脆性断裂导致的塑性受限问题。
• 在纳米结构共晶显微组织中实现软铝与硬硅相的塑性共变形。
• 研究室温下硅中部分位错活动的机制。
• 理解纳米孪晶与锶改性如何在变形过程中抑制硅纤维的裂纹形成。
• 在激光处理的铝硅共晶材料中实现高强度与高韧性的同时提升。

提出的方法

• 采用激光快速凝固技术制备具有细小纳米尺度硅纤维的全共晶铝硅显微组织。
• 通过添加锶（Sr）改变硅的电子结构，降低其佩尔斯势垒。
• 利用透射电子显微镜（TEM）分析变形后的显微组织演化及位错构型。
• 量化硅纤维中的堆垛层错密度，以确认部分位错活动的存在。
• 进行压缩力学测试，测量流动强度和断裂前的塑性应变。
• 通过工艺参数调控，实现纳米纤维几何结构的工程化，包括降低长径比，以增强延展性。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何在纳米结构铝硅共晶中实现软铝与硬硅相之间的塑性共变形？
• RQ2 部分位错活动在室温下硅的塑性中发挥何种作用？
• RQ3 锶改性如何影响纳米孪晶硅中佩尔斯势垒与位错迁移率？
• RQ4 哪些显微组织特征可抑制硅纤维在变形过程中的裂纹形成？
• RQ5 激光快速凝固与化学改性在多大程度上可同时提升铝硅共晶的强度与韧性？

主要发现

• 锶改性、激光快速凝固的铝硅共晶表现出约840 MPa的压缩屈服强度。
• 该材料在硅相中未出现裂纹扩展的情况下，实现了高达26%塑性应变的稳定塑性变形。
• 变形后观察到硅（Sr）纤维中存在高密度堆垛层错，证实了部分位错介导的塑性机制。
• 由于纳米孪晶和锶固溶强化作用，材料的硬度达到2.9 GPa。
• 锶改性、纳米孪晶硅纤维中降低的长径比与佩尔斯势垒是抑制裂纹形成的关键因素。
• 激光处理与锶掺杂的结合实现了共晶铝硅体系中高强度与高韧性的同时提升。