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以層級奈米結構增加鋁合金強度

Original publish date:Oct 02, 2010

編輯 HCC 報導

以金屬加工技術高壓扭轉法﹝high-pressure torsion﹞將鋁合金在兩具壓力砧座之間撞擊,可以獲得強度如鋼鐵般的新材料。

由澳洲雪梨大學、美國加州大學戴維斯分校、北卡羅拉娜州立大學及蘇聯烏法國立航空技術大學材料科學家組成的研究團隊,致力於高壓扭轉法﹝high-pressure torsion, HPT﹞金屬加工技術研究,增加材料結構強度,保持材料的成型性,以期獲得新一代輕量級結構﹝lightweight structures﹞。

高壓扭轉法是將金屬碟片夾在兩個圓柱壓力砧之間,以每平方公分60,000公斤的壓力擠壓,施壓的壓力砧進行直線相對擠壓運動時,同時進行旋轉運動。研究人員對實施高壓扭轉法的試片,尚進行一個月的室溫自然時效處理﹝natural aging﹞。龐大壓力下的變形再加上時效處理改變金屬奈米等級基本結構。

依據研究團隊2010年9月發表在Nature Communications 的研究報告,對7075鋁合金進行高壓扭轉法後,其降伏強度達到1Gpa,均勻延伸率﹝uniform elongation﹞達5%,新製程造成的材料強度為常用鋁合金強度的三倍以上。製程後的鋁合金含固溶體﹝solid solution﹞,無析出物﹝precipitation﹞,並具下列特徵:(1)高密度差排﹝dislocations﹞,(2)次奈米等級的晶粒內溶質原子團簇﹝intragranular solute clusters﹞,(3)兩種幾何構型的奈米等級晶粒內溶質結構,(4)直徑數十奈米的晶粒尺寸。

為了找出鋁合金強度增強的原因,研究團隊使用原子探針斷層攝影術﹝Atom Probe Tomography,APT﹞,顯示高壓扭轉法讓原子結晶格子變形成未所見的排列,形成層級奈米結構﹝hierarchical nanostructure﹞,鋁合金晶粒尺寸變小,鋅原子與鎂原子依其在鋁合金晶粒內或在邊界上的位置,以不同尺寸集簇成群。論文共同作者Simon Ringer指出,目前對材料結構排列強化鋁合金的機制仍不清楚,他認為層級結構對材料的強化非常有影響。

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