《Materials Chemistry and Physics》：Strain-rate dependent microstructural evolution and mechanical behavior in Be–Al alloys
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BA-A合金的应变率依赖性力学行为与断裂机制研究揭示其双相组织（Be颗粒/Al基体）中变形不兼容性主导宏观性能演变，UTS随应变率升高从217.0 MPa增至237.4 MPa，延伸率同步降低，断裂模式从低应变率下的Al相韧性主导转向高应变率下Be相脆性主导。
李青旭|邹天乐|李普波|高敏|李军|李俊毅|王东鑫|杨一坤
宁夏大学材料与新能源学院，中国银川，750021
摘要
为了深入理解多元合金化Be–Al体系中的应变率敏感性和断裂机制，本研究制备了一种新型Be–Al–Ag–Co–Ge (BA-A)合金，并研究了其在0.001至0.05 s?1应变率范围内的拉伸性能。BA-A合金具有典型的双相微观结构，即等轴分布的Be颗粒嵌入连续的Al基体中。实验结果表明：随着应变率的增加，合金的极限抗拉强度（UTS）从217.0 MPa升高到237.4 MPa，而伸长率则从1.52%下降到1.28%。应变率敏感性因子呈现非单调变化趋势，先减小后增大。在整个应变率范围内，Be相的解理断裂占主导地位；但在较低应变率下，Al相表现出更明显的延展性。随着应变率的进一步提高，解理断裂变得更为显著。这种宏观力学行为与断裂特性的同步变化源于软质Al相与硬质Be相之间的变形不兼容性。这种不兼容性随应变率的变化而演变，并通过调节Be/Al界面处的位错密度和分布来控制宏观响应。本研究阐明了变形不兼容性在连接微观机制与宏观应变率敏感性性能之间的关键作用，为设计抗动态载荷的Be–Al基合金提供了理论指导。
引言
Be–Al合金因其优异的比强度、刚度和热稳定性，在航空航天和高能物理探测器领域具有广泛的应用潜力[1,2]。然而，实际使用中遇到的复杂动态载荷条件要求这些材料具备更高的应变率敏感性和稳定的力学性能。
大量研究表明，应变率显著影响金属材料的力学性能和断裂行为。例如，将应变率从10?4 s?1提高到10?2 s?1可使CoCrFeNi高熵合金的极限抗拉强度（UTS）提高约20%[3]；Mg–Al–Ca–Mn合金的UTS在0.001 s?1时为241 MPa，而在500 s?1时增加到380 MPa[4]。吴等人的研究指出，不同的应变率显著影响材料的塑性区形成和颈缩过程[5]。这些发现共同表明应变率对材料的力学性能和断裂机制有显著影响。针对Be–Al合金的研究主要集中在成分优化（如添加Ni、Ag、Sc）[6],[7],[8]以及加工改进（包括热等静压温度控制）[9]方面。本研究中开发的BA–A合金通过引入Ag、Co和Ge来改进性能：Ag通过固溶强化和沉淀强化增强合金性能；Co有效强化Al基体；Ge可降低Al相的析出温度并提高熔体流动性。Ag–Co–Ge的联合添加并非简单元素叠加的结果，而是通过多维度协同效应打破了单一元素改性的局限，包括优化的沉淀强化、改善的界面结合和更高的致密性。以往的研究主要关注Ag、Co和Ge在提高Be–Al合金准静态力学性能方面的作用[7]，但这些合金的应变率依赖行为仍缺乏系统研究[10,11]。
由于Be–Al合金本质上是双相复合材料，由脆性的Be颗粒和延展性的Al基体组成，其微观结构决定了其与均匀金属体系不同的应变率敏感性变形机制。大多数金属材料（如AlCoCrFeNi高熵合金和镁合金[12,13]）的强度随应变率单调增加。相比之下，Be–Al合金的力学行为呈现非单调性，其力学性能随应变率变化而发生异常转变。纯Al的变形主要受位错滑移控制，而纯Be的应变率依赖行为由于实验数据有限而研究不足。不过，可以从具有类似六方密排（HCP）晶体结构的纯Zr中获得启示：Zr的应变率敏感性较低，但在高应变率加载下会发生显著的孪晶化，从而显著增强加工硬化效应，并在真应力-应变曲线中产生明显的向上弯曲[15]。这些现象提示Be的变形行为可能存在相似规律。现有文献缺乏对Be–Al合金中应变率对位错演变、断裂机制和强度-韧性协同作用影响的系统研究，这可能是导致其在动态载荷条件下（尤其是0.001 - 0.05 s?1
本研究系统地研究了BA-A合金在0.001至0.05 s?1?1
材料与试样制备
BA-A合金的名义组成为62.5 wt% Be、32 wt% Al、3 wt% Ag、1 wt% Co和0.75 wt% Ge，采用高纯度（99.99%）原材料制备。熔化前，所有原材料均经过机械研磨去除表面氧化物，并用丙酮超声清洗30分钟，然后在80°C下干燥60分钟。BA-A合金在真空（10–20 Pa）条件下采用中频感应炉熔炼。为减少铝的挥发，熔炼过程中引入了氩气。
微观结构与力学性能
图1a和b展示了BA-A合金的微观结构，可见由黑色Be相（红色箭头标示）和灰色Al相（蓝色箭头标示）组成的双相结构。如图1b所示，Be相形成等轴晶粒，其均匀性优于不含第三元素添加的二元Be–Al合金[16]。图1c的EDS分析表明，Ag和Ge主要富集在Al相中，而Co则分布较为均匀
讨论
m值定量表征了材料流动应力对应变率的响应性，其大小与应力-应变曲线的特征直接相关。在0.001 s?1?1
结论
本研究通过拉伸试验和微观结构分析，研究了BA-A合金在宽广应变率范围（0.001–0.05 s
?1(1)合金的力学性能表现出明显的非单调应变率依赖性。随着应变率的增加，极限抗拉强度（UTS）从217.0 MPa上升到237.4 MPa，而断裂伸长率总体下降
CRediT作者贡献声明
李青旭：撰写初稿、进行研究、提出概念。邹天乐：软件开发、数据管理。李普波：撰写、审稿与编辑、监督、资金争取、数据管理。高敏：撰写、审稿与编辑、软件应用。李军：方法论研究。李俊毅：监督、数据管理。王东鑫：数据管理。杨一坤：方法论研究。
利益冲突声明
作者声明不存在可能影响本文研究的已知财务利益或个人关系。
致谢
作者感谢国家自然科学基金（项目编号：U23A20612）、国家自然科学基金（项目编号：52361030）和宁夏自然科学基金（项目编号：2024AAC02007）的财政支持。
