超细晶铝合金纳米析出相的SANS/SAXS研究

The nano precipitate in the alloys acts as the efficient pinning sites which block the movement of dislocations and grain boundaries, giving rise to the strengthening effect. The size distribution, shape and the chemical composition of nano precipitate have a great effect on the mechanical property, but the quantitative characterization of these nano precipitate are very difficult due to the variable chemical composition and the large size distribution (1 to hundreds nanometers), especially, because of the dynamic precipitation during the process, the quantitative characterization of nano precipitate in the ultra-fine grained Aluminum alloys, which usually have excellent mechanical properties, is even more difficult. The principle aim of this project is to characterize the size distribution of nano precipitate in the ultra-fine grained Aluminum alloys by using the Small-angle Neutron / X-Ray Scattering techniques (SANS, SAXS) which can statistically and quantitatively analyze the size distribution and chemical composition etc. of nano-scaled particles in a bluk sample. With the Scanning-Small-angle X-Ray Scattering which is a novel and powerful tool for 2D/3D tomographic analysis, it is the focus of present research to quantitatively characterize the spatial distribution of nano precipitate, and to demonstrate their correlation with mechanical property of the ultra-fine grained Aluminum alloys.

金属中的纳米级析出相因其具有定扎晶界和位错滑移的作用能有效提高材料的力学性能，纳米析出相的尺寸分布函数、形状、化学成分、空间分布等参数对材料性能有相当重大的影响，但对这些参数的定量表征却一直是研究工作中的一个难点。铝合金中的纳米析出相成分复杂、尺寸从1纳米到几百纳米不等，而具有优越性能的超细晶铝合金在强变形细晶化工艺过程中会出现复杂的动态析出等现象，更加大了其纳米析出相的定量研究难度。本项目利用中子/高能X射线小角散射技术(SANS, SAXS)能够无损、定量表征块体材料中的纳米尺度颗粒的尺寸统计分布函数这一特点，结合高能X射线小角散射成像这一最新的前沿技术(Science 321(2008)379，Nature 494(2013)68)，定量表征超细晶铝合金中纳米析出相的尺寸分布函数及高分辨率空间分布成像，定量研究纳米析出相的形状、尺寸分布函数和空间分布状态对强变形铝合金强化机制的影响。

超细晶纳米增强高强铝合金具有高强轻质、可塑性好,易于加工等一系列优良特点，可用来制造卫星及航天用结构材料等。为了进一步增强纳米增强铝合金的机械性能，可采用两种方法：一是细晶强化 (霍尔佩奇公式)，通过细化晶粒，减小晶粒直径，从而提高材料的强度、硬度、塑性和韧性。二是利用纳米析出相强化，也称第二相强化，是通过利用纳米析出相能钉扎晶界、位错的滑移来来提高材料强度, 因此纳米析出相的尺寸分布函数、形状、化学成分、空间分布等参数对材料性能都有相当重大的影响，然而这些参数的定量表征却一直是研究工作中的一个重大难点。本项目利用同步辐射高能X射线小角散射技术（SAXS）及中子小角散射技术（SANS），无损、定量地表征块体材料中的纳米颗粒具有统计意义的尺寸分布函数，并与材料的宏观力学性能进行对比，建立物理模型，为材料特性改良提供理论依据。.尽管X射线/中子小角散射技术是定量表征纳米颗粒尺寸分布函数强有力的工具，然而小角散射技术的定量数据拟合一直是该技术中的一个难点，也是获得准确定量数据的关键，而我国在这一领域的技术发展尚欠缺，本项目自主开发国内首款可视化动态小角散射处理软件(VSAS)，并免费提供给国内各大科学装置如上海光源、CMRR、CARR、CSNS中子反应堆使用，该软件具有中英文双语界面，用户界面友好，针对非小角散射专业科学家设计，帮助各界科学家轻松、精准地使用小角散射技术，促进小角散射技术在我国的发展。.本项目选用添加了Sc、Zr等元素的纳米颗粒高强铝合金作为研究对象，利用小角散射技术对样品中的纳米析出相的进行了定量表征，配合高分辨率透射电镜等技术手段，获得纳米析出相尺寸分布、体积分数、形貌、化学成分等信息，与力学实验结合，给出了纳米颗粒对样品材料性能影响的微观-宏观物理模型。