導(dǎo)讀：非均相片層結(jié)構(gòu)材料因其優(yōu)異的強(qiáng)度和延展性而受到廣泛關(guān)注。在本研究中，北京科技大學(xué)張曉新副教授團(tuán)隊(duì)在CuCrZr合金中引入Y元素來調(diào)節(jié)固溶退火過程中CuZrY相的液相形成溫度。在退火前采用冷軋變形使晶粒拉長(zhǎng)，在退火過程中促進(jìn)液相濕化拉長(zhǎng)的晶界，最終形成沿晶界分布的層狀CuZrY異質(zhì)組織。異質(zhì)層狀組織、晶界分布特征以及Y對(duì)層錯(cuò)能的影響增強(qiáng)了異質(zhì)變形誘發(fā)的加工硬化，從而提高了CuCrZrY合金的強(qiáng)度和塑性。此外，CuCrZrY合金的抗拉強(qiáng)度、均勻伸長(zhǎng)率、電導(dǎo)率和導(dǎo)熱系數(shù)分別達(dá)到527 MPa、10.66%、83% IACS和335.5 W/（m·K）。因此，通過成分調(diào)節(jié)控制液相溫度和通過晶粒變形控制液相滲透路徑的方法為非均質(zhì)片層結(jié)構(gòu)材料的設(shè)計(jì)提供了新的可能性。

強(qiáng)度和延性是評(píng)估結(jié)構(gòu)材料的關(guān)鍵性能，它們往往表現(xiàn)出一種權(quán)衡關(guān)系。在材料設(shè)計(jì)中實(shí)現(xiàn)強(qiáng)度和延性的理想結(jié)合是一項(xiàng)具有挑戰(zhàn)性的任務(wù)。近年來，由具有顯著不同力學(xué)性能的疇組成的非均相結(jié)構(gòu)（HS）材料的性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了基于單個(gè)區(qū)組分性能混合規(guī)律的預(yù)測(cè)。目前已開發(fā)出多種HS材料，包括非均相片層結(jié)構(gòu)、層狀結(jié)構(gòu)、梯度結(jié)構(gòu)、諧波結(jié)構(gòu)、雙相結(jié)構(gòu)材料等。Wang等通過熱處理，設(shè)計(jì)了純Cu的雙峰晶粒尺寸分布，使其屈服強(qiáng)度提高了5-6倍，同時(shí)保持了與粗晶Cu相當(dāng)?shù)母哐诱剐浴u等人報(bào)道了Ti中通過軋制和部分再結(jié)晶產(chǎn)生的非均勻片層組織，該組織結(jié)合了超細(xì)晶材料的高強(qiáng)度和粗晶材料的高延展性。HS材料優(yōu)異的延性源于異質(zhì)變形誘導(dǎo)（HDI）強(qiáng)化和應(yīng)變硬化，這是背應(yīng)力發(fā)展的結(jié)果。軟疇和硬疇之間的變形不相容導(dǎo)致了顯著的應(yīng)變分配，這是由疇邊界上幾何上必要的位錯(cuò)（GNDs）的積累所容納的。根據(jù)considre準(zhǔn)則，高強(qiáng)度材料需要高應(yīng)變硬化率來保持延性。

CuCrZr合金是一種高強(qiáng)度、高導(dǎo)電性的合金，應(yīng)用于電子引線架、高鐵接觸線、水冷等離子體面組件結(jié)構(gòu)散熱材料等，同時(shí)要求高強(qiáng)度和高延展性。巧妙的HS設(shè)計(jì)是提高CuCrZr合金性能的有效途徑。Shi等人受竹子和貝殼等生物材料的啟發(fā)，通過優(yōu)化熱機(jī)械加工，設(shè)計(jì)了一種分層纖維層狀結(jié)構(gòu)的CuCrZr合金，分別在655 MPa、6.8%和80% IACS下實(shí)現(xiàn)了高屈服強(qiáng)度、高延展性和高導(dǎo)電性的結(jié)合。Han等采用粉末冶金方法制備了CuCrZr/Cu層狀HS復(fù)合材料，具有高強(qiáng)度（366 MPa）、電導(dǎo)率（91.2% IACS）和均勻伸長(zhǎng)率（26.5%）的優(yōu)異組合。Lai等發(fā)現(xiàn)，雙峰晶粒尺寸分布的CuCrZr合金實(shí)現(xiàn)了高強(qiáng)度（350 MPa）和高導(dǎo)電性（87% IACS）的理想匹配。Guo的研究表明，Cu1.0Cr0.3Zr0.05Y合金在晶界處形成由Y2O3、Cu2O、Cu5Y和Cu5Zr相組成的復(fù)雜多相共晶組織，是設(shè)計(jì)HS材料的有效前驅(qū)體。

受以往HS材料設(shè)計(jì)的啟發(fā)，本研究提出了一種制備HS材料的新方法。通過在CuCrZr合金中引入Y，使富zr共晶相的液相溫度降至低于固溶退火溫度。然后，在固溶退火之前進(jìn)行冷軋變形，制備出沿晶界分布的層狀HS CuZrY相CuCrZrY合金。試驗(yàn)結(jié)果表明，CuCrZrY合金在保持與CuCrZr合金相當(dāng)?shù)膶?dǎo)電性和導(dǎo)熱性的同時(shí)，顯著提高了合金的強(qiáng)度和延展性。通過掃描電鏡、透射電鏡、高溫共聚焦激光掃描顯微鏡、EBSD分析、納米壓痕實(shí)驗(yàn)和加載-卸載-再加載（LUR）實(shí)驗(yàn)，探討了CuCrZrY合金顯微組織與強(qiáng)化機(jī)理的關(guān)系。該研究為今后高性能合金的設(shè)計(jì)和制備提供了可行的解決方案。

相關(guān)研究成果以“Enhancing strength and ductility of CuCrZr high-conductivity alloy via lamellar heterostructures on grain boundaries”發(fā)表在Journal of Materials Science & Technology上。

鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S1005030224009800

圖1所示。CCZ和CCZ- y樣品的制備路線。

表1。CCZ和CCZ- y樣品組成（wt.%）。

圖2所示。（a, b）鑄態(tài)CCZ和CCZ- y樣品的OM和（c, d） BSE圖像：（a, c） CCZ, (b, d) CCZ- y。

表2。圖2中標(biāo)記區(qū)域的元素組成（wt.%）。

圖3所示。（a, b）時(shí)效CCZ和CCZ- y樣品標(biāo)記區(qū)域的SEM圖像和（c, d）元素分布（EDS測(cè)繪和線掃描）：（a, c） CCZ, (b, d) CCZ- y。

圖4所示。CCZ-Y樣品中富含Zr和y的層狀結(jié)構(gòu)的TEM圖像：(a)亮場(chǎng)（BF）圖像和相應(yīng)的元素分布，(b)層狀相邊緣的高倍分析，(c)層狀結(jié)構(gòu)的HR-TEM圖像和相對(duì)快速的傅里葉變換。

圖5所示。(a) CCZ和(b) CCZ- y樣品的BF形貌；(c)衍射圖樣示意圖；(d)析出物直徑分布。

圖6所示。CCZ和CCZ- y樣品的XRD結(jié)果。

圖7所示。在高溫共聚焦激光掃描顯微鏡下，將樣品從室溫加熱到950℃并保持在該溫度下，觀察CCZ合金的演化過程。

圖8所示。在高溫共聚焦激光掃描顯微鏡下觀察樣品從室溫加熱到950℃并保持在該溫度下，CCZ-Y合金的演化過程。

圖9所示。(a)實(shí)測(cè)應(yīng)力-應(yīng)變曲線，(b) CCZ和CCZ- y試樣應(yīng)變硬化率。

表3。CCZ和CCZ- y的力學(xué)和物理性能。

圖10所示。近年來報(bào)道的高性能CuCrZr合金的極限抗拉強(qiáng)度、均勻伸長(zhǎng)率和電導(dǎo)率

圖11所示。CCZ-Y樣品沿晶界形成片層結(jié)構(gòu)示意圖。

圖12所示。（a, b）不同相硬度；（c, d）gds分布和（e, f） 11.0%拉伸應(yīng)變后的TEM圖像：（a, c）對(duì)應(yīng)CCZ樣品；（b, d, e, f）對(duì)應(yīng)于CCZ-Y樣本。

圖13所示。(a) LUR曲線，(b)第4次卸載-再加載曲線，(c) CCZ和CCZ- y試樣的反應(yīng)力示意圖，(d) CCZ- y試樣的反應(yīng)力-應(yīng)變及其硬化速率曲線。

北京科技大學(xué)張曉新副教授團(tuán)隊(duì)采用冷軋-固溶退火-冷軋-時(shí)效工藝制備了一種沿晶界呈片層狀非均勻組織的CuCrZrY合金。通過顯微組織表征、拉伸性能測(cè)試、高溫共聚焦激光掃描顯微鏡原位表征和加載-卸載-再加載實(shí)驗(yàn)，探討了層狀非均質(zhì)組織的形成機(jī)理及其對(duì)應(yīng)變硬化和延性的影響。主要結(jié)論如下：

(1)晶界片層結(jié)構(gòu)：Y元素的加入導(dǎo)致基體中CuZrY相的形成，降低了液相溫度。結(jié)合固溶退火前的冷軋變形，固溶退火過程中CuZrY液相濕化了拉長(zhǎng)的晶界，淬火后形成沿晶界分布的片層狀CuZrY非均質(zhì)組織。

(2)力學(xué)和物理性能：CuCrZrY合金具有非均相組織，在527 MPa、10.66%、83% IACS和335.5 W/（m·K）條件下具有優(yōu)異的抗拉強(qiáng)度、均勻伸長(zhǎng)率、導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性。

(3)強(qiáng)化機(jī)制：變形過程中，gds在邊界處堆積，促進(jìn)背應(yīng)力硬化。CuCrZrY合金的高應(yīng)變硬化率是由于其獨(dú)特的非均相組織和成分：

• CuZrY相的層狀結(jié)構(gòu)增加了GNDs積累的邊界面積體積比。

• CuZrY相沿晶界的分布限制了基體的變形。

• Y元素的加入增加了層錯(cuò)概率，有利于位錯(cuò)的平面滑移和GNDs的積累。

這些作用共同增強(qiáng)了CuCrZrY合金的背應(yīng)力硬化，實(shí)現(xiàn)了高強(qiáng)度和高延展性。

本文報(bào)道了一種通過控制熱機(jī)械加工過程中液相分布來制備沿晶界分布的非均相合金的新方法。這為異質(zhì)結(jié)構(gòu)材料的設(shè)計(jì)和材料性能的增強(qiáng)提供了新的見解。