多項(xiàng)研究表明，成分異質(zhì)性（即單相固溶體中合金元素的成分波動(dòng)）類似于團(tuán)簇強(qiáng)化，可在不犧牲延展性的情況下提高單晶納米柱和塊體納米晶金屬材料的強(qiáng)度。但成分不均勻性對(duì)粗晶金屬材料力學(xué)性能的影響尚未完全了解。在本項(xiàng)工作中，悉尼大學(xué)研究了成分異質(zhì)性對(duì)Cu-9Al（at.%）合金拉伸力學(xué)性能的影響，該合金具有用電弧增材制造的粗晶結(jié)構(gòu)和進(jìn)一步加工后的超細(xì)晶結(jié)構(gòu)。結(jié)果表明，成分異質(zhì)性的影響很大程度上取決于晶粒尺寸，在超細(xì)晶粒樣品中，強(qiáng)度顯著提高，而延展性僅略有下降，而晶粒尺寸增大后，成分異質(zhì)性的強(qiáng)化效果減弱，導(dǎo)致軟化并顯著損失延展性。這些發(fā)現(xiàn)不僅促進(jìn)了對(duì)金屬材料成分異質(zhì)性、晶粒尺寸和力學(xué)性能之間關(guān)系的理解，而且有利于開(kāi)發(fā)高強(qiáng)度和延展性的新材料。

悉尼大學(xué)廖曉舟教授團(tuán)隊(duì)將此工作以“Effect of compositional heterogeneity on the mechanical properties of a single-phase Cu-9Al alloy with different grain sizes”為題發(fā)表在金屬材料旗艦期刊《Acta Materialia》上。

鏈接： https://doi.org/10.1016/j.actamat.2023.119531

眾所周知，金屬材料可以通過(guò)晶粒細(xì)化、加工硬化、沉淀和固溶強(qiáng)化來(lái)強(qiáng)化。有研究表明，成分異質(zhì)性呈現(xiàn)出與簇強(qiáng)化類似的強(qiáng)化效果，在不犧牲材料延展性的情況下增強(qiáng)強(qiáng)度。悉尼大學(xué)對(duì)多主元合金或高熵合金中成分異質(zhì)性的影響進(jìn)行了重點(diǎn)研究，實(shí)驗(yàn)和理論結(jié)果表明，成分異質(zhì)性程度的增加可以克服強(qiáng)度-延展性權(quán)衡并提高塊體材料的疲勞性能。潛在機(jī)制是位錯(cuò)相互作用和纏結(jié)，通過(guò)成分異質(zhì)性而增強(qiáng)，而成分異質(zhì)性對(duì)性能的詳細(xì)作用仍存在不確定性。例如，迄今為止研究的合金系統(tǒng)通常包含至少三種合金元素，導(dǎo)致難以闡述單個(gè)合金元素對(duì)局部成分異質(zhì)性程度的影響，并且多主元素合金中緩慢的位錯(cuò)滑移是由大的晶格畸變引起還是由成分異質(zhì)性引起的尚不清楚。由于大多數(shù)機(jī)械測(cè)試是在納米晶材料或單晶納米柱上進(jìn)行的，很少有實(shí)驗(yàn)證明這種強(qiáng)化機(jī)制能否應(yīng)用于粗晶（CG）二元多晶材料。對(duì)于納米晶材料，低加工硬化率和最小位錯(cuò)積累限制了其延展性，相比之下，CG材料的晶粒內(nèi)部有足夠的空間來(lái)積累位錯(cuò)。本項(xiàng)工作研究了二元單相面心立方（FCC）Cu-9Al（at.%）固溶體合金，該合金沒(méi)有任何第二相的沉淀，確保在這項(xiàng)研究中只有一個(gè)決定拉伸強(qiáng)度和延展性的變量會(huì)被改變。

電弧增材制造（WAAM）用于制造Cu-9Al合金。金屬材料的增材制造與傳統(tǒng)制造技術(shù)相比具有明顯的優(yōu)勢(shì)，包括設(shè)計(jì)自由度、較少的工具要求、近凈形或凈形生產(chǎn)、材料的有效利用、交貨時(shí)間短以及在許多情況下可大幅節(jié)省成本，還可用于制造一些使用傳統(tǒng)冶金方法無(wú)法生產(chǎn)的合金。通過(guò)WAAM生產(chǎn)具有較高沉積速率的大型金屬部件，很大程度上促進(jìn)了對(duì)該工藝的理解。使用銅線和鋁線作為制造原材料，無(wú)需進(jìn)行預(yù)合金化，制造過(guò)程沒(méi)有足夠的時(shí)間進(jìn)行均質(zhì)化，導(dǎo)致制造的零件成分不均勻。在增材制造的金屬材料中經(jīng)常觀察到元素偏析/分配，其中合金元素在多孔結(jié)構(gòu)上偏析或分配形成第二相。成分異質(zhì)性是指單相固溶體合金體系中合金元素的成分波動(dòng)，與能量上有利的溶質(zhì)聚類不同，成分異質(zhì)性通常是非平衡高能狀態(tài)，可通過(guò)熱處理消除。本項(xiàng)工作探討了WAAM制造的Cu-9Al合金的成分不均勻程度及其對(duì)力學(xué)性能的影響。

圖1從打印版本中提取樣本的示意圖。

圖2（a）六種樣品的典型工程拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線，（b）NH-R和HR樣品的應(yīng)變硬化率。

圖3 （a）典型的EBSD IPF圖和（b）NH-AF樣品相應(yīng)的SEM-EDS圖，（c）和（d）分別是NH-CR和H-CR樣品的EBSD IPF圖。

圖4（a）NH-R樣品中Cu、Al原子分布圖，（b）HR樣品中Cu、Al原子分布圖，（c）是（a）中紅方框區(qū)域的一維濃度分布，（d）是（b）藍(lán)方框區(qū)域的一維濃度分布。

圖5 （a）和（b）分別取自NH-R和HR樣品的典型微分相位對(duì)比圖，顯示了由局部成分異質(zhì)性引起的局部電場(chǎng)方向和幅度的變化。

圖6（a）NH-R樣品的斷裂面，（b）HR樣品的斷裂面。

本項(xiàng)工作研究了成分異質(zhì)性對(duì)不同晶粒尺寸的Cu-9Al二元合金樣品力學(xué)性能的影響。該合金采用WAAM技術(shù)制造，并進(jìn)行各種后續(xù)處理以獲得各種微觀結(jié)構(gòu)。APT、EDS和STEM-HAADF成像揭示了約5nm大小的成分異質(zhì)性，可通過(guò)長(zhǎng)時(shí)間均質(zhì)化熱處理來(lái)消除。在晶粒尺寸相對(duì)較小（約300nm）的樣品中，成分波動(dòng)會(huì)影響局部SFE，從而抵抗位錯(cuò)滑移并促進(jìn)位錯(cuò)積累，導(dǎo)致進(jìn)一步的應(yīng)變硬化。在粗晶（約24μm）樣品中，硬質(zhì)區(qū)域的存在會(huì)導(dǎo)致延展性降低和早期斷裂。因此，通過(guò)成分異質(zhì)性整體提高強(qiáng)度和延展性僅適用于較小的晶粒尺寸，例如超細(xì)晶粒和納米晶樣品。