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Atomic-scale compositional complexity ductilizes eutectic phase towards creep-resistant Al-Ce alloys with improved fracture toughness

材料科学 共晶体系 蠕动 断裂韧性 原子单位 韧性 相(物质) 冶金 断裂(地质) 复合材料 微观结构 物理 化学 有机化学 量子力学
作者
Meng Yi,Peng Zhang,Sihao Deng,H. Xue,Chong Yang,Fuzhu Liu,Bin Chen,Shenghua Wu,Huaile Lu,Zhijian Tan,Jinyu Zhang,Yong Peng,Gang Liu,Lunhua He,Jun Sun
出处
期刊:Acta Materialia [Elsevier BV]
卷期号:276: 120133-120133 被引量:7
标识
DOI:10.1016/j.actamat.2024.120133
摘要

Hierarchical microstructures spanning from micro-sized eutectic structure to nano-sized precipitates are promisingly engineered in lightweight Al alloys to improve the high-temperature creep resistance that is increasingly required for rapid industrial development. However, the intrinsically-brittle eutectic phase is ready to fracture upon applied loading, which, dramatically reducing room-temperature ductility and fracture toughness, greatly hampers practical applications of the creep-resistant Al alloys. Here, through the combination of Sc microalloying with sub-rapid solidification, we observe the ductilization of Al11Ce3 eutectic phase in cast heat-resistant Al-Ce-Sc alloys due to the formation of atomic-scale compositional complexity. High-concentration Sc atoms are frozen within the Al11Ce3 intermetallic phase by the sub-rapid solidification, which then assemble into unusual atomic-scale compositional dipoles with the Sc atoms enriched at one pole and the Al atoms at the opposite during subsequent heat treatment. The dispersed Sc-Al compositional dipoles induce local lattice distortions that stimulate dislocation activities, as temporally and spatially visualized by in-situ neutron diffraction tensile test and microstructural characterizations. The unexpected plastic deformation triggered in Al11Ce3 improves the deformation compatibility between the eutectic phases, enabling the sub-rapidly-solidified Al-Ce-Sc alloy to reach a room-temperature tensile elongation 3 times and fracture toughness over 8 times of its counterpart derived from traditional solidification. In addition, the sub-rapidly-solidified Al-Ce-Sc alloy exhibits an excellent creep resistance at 300 °C, achieving a tensile creep stress threshold of ∼ 70 MPa. These findings provide new perspectives on the design of ductile intermetallic phases and the development of creep-resistant Al alloys with application-level ductility.

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