[论文解读] Plate-like precipitate effects on plasticity of Al-Cu alloys at micrometer to submicrometer scales

Peng Zhang, Jianjun Bian+5 more|arXiv (Cornell University)|Jul 23, 2019

Microstructure and mechanical properties参考文献 85被引用 5

一句话总结

本研究通过微柱压缩测试，探究了片状θ′-Al₂Cu析出相对铝铜合金在微米至亚微米尺度下塑性行为的影响。结果表明，这些析出相对较大尺度下能有效提高强度并抑制应变波动，但在更小尺寸下由于平均场钉扎机制的失效，其效果减弱；当析出相贯穿整个柱体时性能最佳，表现为应变不连续性降低和通过共格界面滑移与析出相切变实现的应变强化增强。

ABSTRACT

The continuous miniaturization of modern electromechanical systems calls for a comprehensive understanding of the mechanical properties of metallic materials specific to micrometer and sub-micrometer scales. At these scales, the nature of dislocation-mediated plasticity changes radically: sub-micrometer metallic samples exhibit high yield strengths, however accompanied by detrimental intermittent strain fluctuations compromising forming processes and endangering structural stability. In this paper, we studied the effects of plate-like $θ^\prime$-Al$_2$Cu precipitates on the strength, plastic fluctuations and deformation mechanisms of Al-Cu alloys from micro-pillar compression testing. The plate-like precipitates have diameters commensurate with the external size of the Al-Cu micro-pillars. Our results show that these plate-like precipitates can strengthen the materials and suppress plastic fluctuations efficiently at large sample sizes ($\geq 3 μm$). However, the breakdown of the mean-field pinning landscape at smaller scales weakens its taming effect on intermittency. Over an intermediate range of sample sizes allowing the precipitates to cross the entire pillar, an enhanced apparent strain hardening and a sharp decrease of jerkiness are observed, in association with the presence of {100}-slip traces along the coherent $θ^\prime$-Al$_2$Cu precipitate/$α$-Al matrix interface and precipitate shearing. These complex effects of plate-like precipitates on plasticity are analyzed, experimentally and theoretically, in view of the interferences between external and internal sizes, and the related modifications of the underlying plastic mechanisms.

研究动机与目标

• 理解在微米至亚微米尺度下铝铜合金的力学行为，此时传统塑性理论失效。
• 研究片状θ′-Al₂Cu析出相对小尺度样品中屈服强度、塑性波动及变形机制的影响。
• 识别析出相尺寸及其相对于样品尺寸的空间分布对塑性行为的调控作用。
• 分析外部样品尺寸与内部析出相结构之间的相互作用对变形稳定性的影响。
• 将实验中观察到的应变硬化与不连续性与纳米尺度下位错-析出相相互作用联系起来。

提出的方法

• 对具有不同柱体直径（从亚微米到几微米）的铝铜合金样品进行了微柱压缩测试。
• 表征了片状θ′-Al₂Cu析出相的尺寸、形貌及其相对于柱体轴线的取向。
• 从载荷-位移曲线中量化了应变硬化行为和应变波动（不连续性）。
• 利用透射电子显微镜（TEM）识别了共格θ′/α-Al界面处的{100}滑移痕迹以及析出相切变的证据。
• 理论分析考虑了在小尺度下平均场钉扎模型失效的情况，此时析出相尺寸与样品尺寸相当。
• 建立了外部样品尺寸与内部析出相尺寸之间相互作用的模型，以解释异常强化和不连续性降低的现象。

实验结果

研究问题

• RQ1 片状θ′-Al₂Cu析出相对微米至亚微米尺度下铝铜合金的屈服强度和塑性行为有何影响？
• RQ2 析出相尺寸及其相对于样品尺寸的空间分布在调控应变波动和变形稳定性方面起什么作用？
• RQ3 为何当析出相贯穿整个微柱时，应变速率不连续性（不连续性）出现急剧降低？
• RQ4 共格界面和析出相切变如何在中间尺寸范围内促进应变强化？
• RQ5 平均场钉扎模型的失效在多大程度上解释了亚微米尺度下塑性稳定性丧失的现象？

主要发现

• 在样品尺寸≥3 µm时，片状θ′-Al₂Cu析出相通过稳定钉扎位错，有效提高材料强度并抑制塑性应变波动。
• 在析出相贯穿整个柱体的中间尺寸范围内，观察到应变速率不连续性（不连续性）显著降低，表明变形稳定性提高。
• 增强的表观应变硬化与共格θ′/α-Al界面处的{100}滑移痕迹以及位错对析出相的切变有关。
• 在亚微米尺度下，平均场钉扎场的失效降低了析出相对抑制塑性波动的有效性，导致稳定性下降。
• 外部样品尺寸与内部析出相尺寸之间的相互作用，对主导塑性机制和整体力学响应起决定性作用。
• 本研究证明，当析出相尺寸与柱体直径匹配时，可实现最佳力学性能，从而实现协同强化与稳定变形。