铝基复合材料是以铝或其合金为基体，复合陶瓷颗粒或纤维增强体制成的多相材料，该复合材料在航天航空领域应用广泛，我国的长征十二号火箭就有此材料体系的身影。但高强铝基复合材料往往缺乏足够的加工硬化能力，这是由于位错在细晶或超细晶内快速湮灭以及陶瓷增强颗粒导致的应变局域化而引起的，这一结果在宏观则表现为塑性较差，均匀延伸率低。因此如何在含纳米颗粒的超细晶硬区内实现高密度位错累积，同时获得持久加工硬化，是目前该领域需突破的难题之一。

针对这一问题，上海交通大学与山东大学的联合研究团队合作揭示了双峰晶粒异质结构铝基复合材料的“顺序异质效应”，在高强度Al-5Mg/CNTs复合材料将均匀延伸率提升了三到四倍，大大增强了材料的强塑性能适配性。目前，这一重磅研究成果已于2025年9月19日在国际权威期刊《International Journal of Plasticity》在线发表，题为“Prolonged work hardening in bimodal grain structured aluminum matrix composites: a sequential heterostructure effect”，论文的通讯作者为上海交通大学的谭占秋副研究员、李志强研究员和山东大学岳振明教授，上海交通大学金属复合材料全国重点实验室主任张荻院士也位列作者名单中。

文章链接：

https://doi.org/10.1016/j.ijplas.2025.104485

【核心内容】

团队制备了三种不同粗晶区宽度的Al-5Mg/1.5 wt.%CNTs双峰晶粒复合材料，仅调整粗晶区宽度实现可控的异质结构，中等宽度的粗晶区可以使双峰晶复合材料的加工硬化显著延长，导致均匀伸长率是过窄或过宽粗晶区的三倍甚至四倍，开创性地揭示了硬化区有助于复合材料的塑形提升，挑战了硬化区只提供高强度的传统观点。

三种复合材料样品的双峰晶粒异质结构展示

【研究方法】

研究首先通过球磨获得不同平均粒径的粗晶粉末，经真空烧结后热挤压得到了细长的粗晶（CG）区，团队以平均直径分别为2μm、10μm和30μm的粗粉为原料，并与超细晶粉末按7:3质量比混合，经真空烧结后热挤压制备了3种不同CG区尺寸的双峰颗粒复合材料，并分别按照原料中粗粉粒径将材料划分为bimodal-2、bimodal-10和bimodal-30。随后对样品进行单轴拉伸与加载–卸载–再加载（LUR）试验，结合XRD、EBSD、TEM、ACTEM和3D-XRM等手段系统表征不同应变下的微观组织、位错行为及裂纹演化，并利用有限元模拟（MSG塑性模型+Kocks-Mecking-Estrin公式）分析应力-应变分配和加工硬化机制。

UFG晶粒内部结构特征

【研究成果】

① 中等宽度粗晶区实现显著延展化

三种双峰晶粒复合材料均具有类似的UFG特征，但粗晶区尺寸不同。统计显示，bimodal-10的粗晶区长度49.2μm、宽度5.4μm、间距16.5μm均为中等值。这种结构使其屈服强度和均匀延伸率显著优于bimodal-2和bimodal-30，显示了“顺序异质效应”对加工硬化的促进作用。

双峰晶粒基体结构参数统计分布

三种样品的拉伸曲线与性能对比

② 高密度位错在硬UFG区内累积并与纳米颗粒强相互作用

内含CNTs及Al₄O₄C/Al₄C₃界面结构的UFG区在小应变（1%-2.5%）时就出现远高于其他两种材料的几何必要位错（GNDs）密度（提高约60%），促进位错增殖和交滑，显著提升了UFG的加工硬化率。硬区不再只是“提供强度”，而是通过位错—纳米颗粒协同作用反向促进了延展性。

不同应力状态下Q&P 1000钢的宏观断裂形貌

Q&P 1000钢的断裂模式随应力状态变化规律

多应力状态下Q&P钢的失效模式示意图

③ 微裂纹行为调控与持续HDI硬化

3D-XRM与EBSD显示，bimodal-10在大应变下异质区界面保持良好结合，微空洞在UFG区内分散而非集中于界面，从而延缓了界面失效并保持HDI硬化至约9%应变。相比之下，bimodal-2和bimodal-30分别出现端部应变集中及界面微空洞集中，导致提前颈缩与裂纹贯穿。

CG区域中的位错行为特征

裂纹分布与断裂表面形貌分析

LUR测试与HDI应力演化分析

【总结与展望】

该研究提出了“顺序异质效应”新概念，系统揭示了中等宽度粗晶区在双峰晶粒铝基复合材料中实现持久加工硬化的机制，刷新了传统“硬区只提供强度”的认识，并为含纳米颗粒强化的异质结构金属基复合材料提供了可量化的设计思路。这一成果对于航空航天、汽车轻量化等领域的高强高延性铝基结构材料开发具有重要参考价值。