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Al-10Si合金经水约束激光冲击处理诱导层内梯度强化-增韧机制，通过EBSD分析发现脆性Si颗粒周围Al基体发生局部塑性变形，形成细晶（1-2.5μm）与粗晶（20-45μm）共存的异质显微结构，Si相破碎并均匀分布于基体，显著提升强度（230MPa）和均匀延伸率（14.5%）的协同效应。
Kaiuyuan Zhu
华东理工大学物理学院，中国上海梅龙路130号，200237
摘要
实现强度和延展性的协同提升仍然是金属材料领域的一个基本挑战。在这里，我们展示了通过水约束激光冲击强化（WCLSP）处理烧结Al–10Si合金时，由脆性第二相引起的层内梯度强化-增韧机制。由于脆性Si相与延展性Al基体之间的显著机械差异，烧结Al–10Si成为阐明在超高应变率加载下单层内部变形异质性的有效模型系统。基于EBSD的分析，特别是核平均错位（KAM）映射结合相和晶粒尺寸统计，揭示了冲击加载在Si颗粒附近的Al基体中引发了高度局部的塑性变形，而远离这些颗粒的区域则变形较弱。这导致形成了双模态的层内微观结构，其特征是细晶粒（约1–2.5 μm）和粗晶粒（约20–45 μm）Al区域的共存。同时，Si相在原位发生破碎并重新分布到Al基体中，进一步增强了层内变形的异质性。结果，经过冲击强化的合金表现出显著的机械性能提升，其极限抗拉强度从约160 MPa增加到约230 MPa，均匀伸长率从约4.5%增加到约14.5%（在7 J的冲击能量下）。这种强度-延展性的协同提升归因于层内异质微观结构所实现的持续变形兼容性和应变分配，而残余应力仅起到次要的辅助作用。这些发现强调了脆性相辅助的层内梯度设计作为克服异质金属系统中强度-延展性权衡的有效途径。
引言
结合高强度和良好延展性的铝基材料在航空航天、核能系统和先进制造领域发挥着关键作用[1]、[2]。其中，铝-硅（Al–Si）合金由于其高比强度、优异的成形性、良好的耐腐蚀性和显著的成本优势，长期以来被广泛用作结构性和功能性组件的代表性工程铝合金[3]、[4]、[5]。随着轻量化设计概念和高端制造技术的快速发展，对铝合金（特别是Al–Si合金）的强度和延展性协同提升的要求日益严格[3]、[4]、[5]。然而，提高金属材料的强度往往伴随着延展性（韧性）的显著降低，从而产生了经典的强度-延展性权衡[6]、[7]、[8]、[9]、[10]。
为了缓解这种固有的权衡，人们探索了多种材料设计和微观结构调控策略，包括通过成分设计引入分散强化相[11]、[12]、强化辅助强化[13]、[14]以及异质微观结构[15]、[16]。这些研究从不同角度扩展了实现强度-延展性协同的途径。例如，在Al–Si合金系统中，先前的研究表明，通过调整Si相在晶界处的分布（形成骨架状或空间非均匀分布）可以引入显著的变形异质性，从而有效提高塑性和强度-延展性协同性。
作为一种重要的异质微观结构调控方法，利用激光冲击强化或喷丸强化在深度方向上构建由细晶粒和粗晶粒区域组成的纳米梯度结构被认为是一种广泛适用的后续处理策略。这种方法在包括铝合金[17]、钛合金[18]、[19]和不锈钢[20]、[21]在内的多种金属材料中显示出显著的效果。这些梯度结构通常在受冲击或加载的表面附近具有细晶粒或纳米晶粒层，逐渐向内部过渡为粗晶粒区域。由于细晶粒或纳米晶粒区域在外加载下的变形抗力较高，相邻的粗晶粒区域更容易变形。为了保持整体变形的兼容性，这些区域之间会形成显著的应变梯度，诱导位错积累并提供额外的异质变形诱导（HDI）硬化。这种持续的加工硬化能力有助于抑制应变局部化并延缓早期颈缩，从而显著提高均匀伸长率同时保持高强度。进一步的研究表明，这种贯穿厚度的梯度结构不仅限于晶粒尺寸的变化；微观结构畸变的梯度分布（如层错和孪晶）同样可以促进强度-延展性的提升[22]、[23]、[24]、[25]、[26]。
然而，这些深度依赖的梯度结构的强化和增韧效果在很大程度上依赖于相邻层之间的协同变形，而单个层内的微观结构仍然相对均匀[27]、[28]。一旦外部加载在特定层内局部化且无法在层间有效重新分布，相关的强化和增韧效益就会大幅降低。
本研究揭示了由脆性第二相引起的层内梯度强化-增韧机制。使用烧结Al–10Si合金作为模型系统，在超高应变率条件下进行激光冲击强化（LSP），以触发围绕脆性颗粒的局部异质塑性变形，从而在单层内形成具有明显尺度差异和变形失配的多模态微观结构。这种层内异质性使得层内的HDI硬化得以持续激活。同时，脆性第二相在冲击加载过程中发生原位破碎并逐渐分散到Al基体中，进一步促进了强度和延展性的协同提升。
部分摘录
材料与方法
采用火花等离子烧结（SPS）方法，以约50 μm的名义粒径将Al–10Si粉末在540 °C和40 MPa的条件下烧结，制备出致密的块状材料。然后将烧结材料切割成圆盘（厚度3 mm）和拉伸试样。试样的两个表面均经过3 J、5 J和7 J脉冲能量的激光冲击强化（LSP）处理，这种处理方式对于铝合金来说是典型的，且具有50%的斑点重叠率。在CARE M5000上进行单轴拉伸测试，工程应变
结果
采用水约束激光冲击强化处理铝合金样品（图1a,b）。选用的强化能量密度为3 J、5 J和7 J cm?2，这些能量密度通常用于铝合金。处理一个表面后，对另一个表面进行相同的能量密度和重叠比处理，以最小化结构和应力不对称性可能带来的不利影响。如图1c,d所示，经过处理的SPS烧结Al-10Si圆盘表现出明显的表面
讨论
当试样的近表面区域受到激光冲击加载时，表面层会发生剧烈的塑性变形和伸长，而下面的材料会对变形的表面层施加机械约束，从而在强化层内形成压缩残余应力场。图5展示了激光冲击强化后的残余压缩应力随深度的分布（图5a），以及相应的X射线衍射（XRD）结果
结论
本研究证明，水约束激光冲击强化（WCLSP）可以在Al–10Si合金中诱导出层内双模态晶粒结构。在烧结状态下，脆性Si相主要集中于Al晶界附近，而Al基体呈现相对均匀的粗晶粒结构，平均晶粒尺寸约为50 μm。强化后，Si相附近的Al基体发生明显的晶粒细化，晶粒尺寸减小到约1 μm
作者贡献
作者构思了这项研究，进行了实验，分析了数据，并撰写了论文。
资助
本研究得到了上海航海计划（编号：22YF1410500）的支持。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文报告工作的财务利益或个人关系。
