合金化是金屬結構材料設計的重要手段。透過向金屬單質中新增少量溶質元素形成固溶體，可以達到調控料力學效能的目的。伴隨著溶質元素的引入，材料的多種本徵引數會發生變化，這其中包括對材料塑性變形和材料力學效能具有重大影響力的層錯能和溶質元素短程有序性（短程式）。
層錯是一種二維晶格缺陷，層錯能為引入單位面積層錯所需要的能量。降低層錯能會促進位錯分解，變形孿晶，並且抑制位錯交滑移等。短程式為溶質原子在幾個奈米範圍內非隨機的排布。提高短程式會導致滑移面軟化效應(Glide plane softening) ，促進位錯的平面滑移。在真實的合金材料中，層錯能和短程式往往同時作用，共同決定材料的變形機制和力學效能。
除了層錯能和短程式以外，材料的尺寸也是一個影響材料力學行為的重要因素。當材料尺寸降低到微米尺度或以下時，材料顯現出越小越強的趨勢，其強度甚至可以達到理論極限。這種尺寸效應主要由於材料缺陷的行為在樣品尺寸微、奈米化的過程中發生了顯著的變化。這些改變使得奈米塑性展現出許多與宏觀變形所截然不同的現象。然而，在這樣一個特別的塑性變形體系下，目前尚無針對層錯能和短程式這兩個極重要的材料本徵引數的系統性基礎研究。
為了探究這個問題，悉尼大學等單位的研究人員採用原位變形電子顯微學，以銅鋁合金為模型材料，系統性地探索了材料尺寸、層錯能和短程式在合金化的過程中對材料多種力學行為的影響。該研究對於認識金屬材料微、奈米尺度變形以及進行合金設計具有參考意義。相關論文以題為“Mechanical properties and deformation behaviours of submicron-sized Cu–Al single crystals”發表在期刊《Acta Materialia》上。
論文連結：
https://doi.org/10.1016/j.actamat.2021.117460
文章的主要結論如下：
1. 銅鋁合金單晶奈米微柱的流動應力尺寸效應受到層錯能的顯著影響：降低層錯能會減弱尺寸效應，反之亦然。主要原因在於合金化過程中層錯能的改變對於位錯源的影響。
2. 所選銅鋁單晶奈米微柱的加工硬化率均隨著樣品尺寸減小而上升，且加工硬化的尺寸效應明顯受到銅鋁合金中鋁成分的影響。原因是不同的樣品尺寸，層錯能和短程式所導致的不同的變形機制。
3. Cu微柱由大尺寸（~1微米）下的多系滑移演變為小尺寸下的變形孿晶（<200 nm）；Cu – 7 at.%Al微柱由大尺寸下的單系多點啟用的變形孿晶轉變為小尺寸下的孿晶界擴充套件； Cu – 15 at.%Al的變形機制受到低層錯能和高短程式的競爭作用：大尺寸Cu – 15 at.%Al中高短程式主導變形，材料以集中的滑移帶為主。小尺寸Cu – 15at.%Al中低層錯能主導，材料以變形孿晶為主。合金材料中短程式和層錯能對材料變形機制的決定作用受到樣品尺寸的顯著影響。
文章內容簡介：
亞微米尺寸範圍內的Cu，Cu-7 at.%Al 和 Cu-15at.%Al 單晶（層錯能遞減，短程式遞增）沿<001>方向壓縮結果如圖1所示：三種材料均呈現出了明顯的強度尺寸效應。並且曲線顯示出非常明顯的抖動，表明塑性變形中伴隨有明顯的應變突變（strain burst）。
圖1. 工程應力–應變曲線例項
圖2展示了針對三種材料中的大量位錯突變的統計分析結果。發現三種材料的塑性穩定性存有明顯的區別：1）三種材料的位錯突變分佈區間不同；2）三種材料的位錯突變分佈標準差不同；3）三種材料出現的最大位錯突變幅度不同。
圖2 Cu, Cu–7 at.%Al 和 Cu–15 at%Al三種材料工程應力–應變曲線中的應變突變（strainburst）統計分析結果。
除此之外，三種材料強度尺寸效應存有明顯區別。研究表明：1）Al含量越高，尺寸效應越微弱；2）應變越大，同種材料的尺寸效應越明顯。
在後續研究發現，強度尺寸效應隨材料成分的改變，主要由於層錯能對位錯源啟用力的影響；強度尺寸效應隨著應變幅值的變化，主要由於三種材料加工硬化行為不同。這些內容通過後續的顯微學表徵得到證明。
圖3.三種銅鋁合金3%，5%及10%應變下的強度尺寸效應。
圖4 Cu奈米微柱的效能和原位變形過程。隨著樣品尺寸的減小，銅單晶微柱變形的變化為：多系滑移→單系滑移→形變孿晶
圖5 Cu–7 at.%Al奈米微柱的效能和原位變形過程。隨著樣品尺寸的減小，Cu–7 at.%Al單晶微柱變形的變化為：多系形變孿晶→單系形變孿晶→形變攣晶以及孿晶界擴充套件
圖6 Cu–15 at.%Al奈米微柱的效能和原位變形過程。隨著樣品尺寸的減小，Cu–15 at.%Al單晶微柱變形的變化為:單一劇烈滑移帶→更為均勻的滑移帶→細密的奈米孿晶及孿晶界滑移
上述表徵系統地表明瞭隨著Al含量的增加，在不同的亞微米尺度下銅鋁體系呈現不同的變形特徵，並且由層錯能、短程式以及樣品尺寸共同主導。
除此之位，材料的加工硬化行為也受到三個因素的協同影響。圖9展示了三個材料的加工硬化率。圖10展示了在不同的應變幅值下，三種材料加工硬化率的變化趨勢。
圖7 三種樣品在不同尺寸下的均一化加工硬化率
圖8三種材料在不同應變幅值下的加工硬化率和樣品尺寸的關係
最後，作者發現調整材料的尺寸可以改變層錯能和短程式對材料變形行為的競爭關係。機制如圖9 所示。詳見文中討論。
圖9. 降低層錯能和提高短程式對材料變形機制的影響。
綜上所述，本文以銅鋁合金單晶微柱為例，系統地研究了樣品尺寸，層錯能和溶質元素短程式對於單晶塑性穩定性，屈服強度，變形行為和加工硬化等因素的影響。詳細內容請參見原文。（供稿：鈕然銘）
*感謝論文作者團隊對本文的大力支援。
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