双异质结构铜合金实现强度-塑性协同优化新策略

本研究通过冷轧(CR)、退火及表面机械研磨处理(SMAT)技术，在Cu-2.2wt.%Al合金中构建了沿深度方向的梯度变形结构与中心区域双峰晶粒结构的双异质结构。该结构通过异质变形诱导(HDI)强化机制，成功突破强度-塑性倒置关系，为高性能金属材料设计提供新范式。

　　

Highlight

具有异质结构的金属材料已被报道展现出优异的力学性能。本研究通过冷轧和退火，以及后续的表面机械研磨处理，在铜合金中获得了沿深度方向的梯度变形结构和中心区域双峰晶粒结构的双异质结构。对比了单一梯度结构和双异质结构样品的力学性能和变形行为。具有双异质结构的CR-350-15+SMAT样品表现出优异的拉伸性能，屈服强度约为260兆帕，均匀延伸率约为30%，优于具有单一梯度结构的CR-600-15+SMAT样品（屈服强度210兆帕，均匀延伸率32%）。此外，双异质结构样品比单一梯度结构样品产生了更高的异质变形诱导强化，这归因于高密度异质结构界面的引入。微观结构表征表明，在拉伸应变过程中，沿深度方向的分层级形变孪晶以及在中心区域粗晶和细晶异质界面处的位错积累被激活，从而在提高屈服强度的同时保持了高塑性。此外，由于梯度结构和双峰结构之间更强的相互作用，在CR-350-15+SMAT样品的SMAT表面产生了强烈且分散的应变带。这种双异质微观结构策略为实现铜合金的强度-塑性协同提供了一种有前景的途径。

Section snippets

Experimental procedure

原材料是厚度约为10毫米的热轧Cu-2.2wt%Al合金板。首先，将合金板进行冷轧，总厚度减少约70%，冷轧样品命名为CR样品。为了制备不同的微观结构，将部分冷轧板在350°C下分别退火10分钟和15分钟，以获得不同的异质结构，分别命名为CR-350-10和CR-350-15样品，其中350代表退火温度，10/15代表退火时间（分钟）。另一部分冷轧板在600°C下退火15分钟以获得完全再结晶的均匀微观结构，命名为CR-600-15样品。随后，对CR-350-10、CR-350-15和CR-600-15样品进行表面机械研磨处理，处理后的样品分别命名为CR-350-10+SMAT、CR-350-15+SMAT和CR-600-15+SMAT。

Initial microstructure

图2显示了CR-350-10、CR-350-15和CR-600-15样品的EBSD反极图、KAM图、统计数据和晶界取向差分布图，颜色代码插入在图2(a, e, i)中。从IPF图（图2(a, e, i)）可以看出，由于变形晶粒的再结晶，三个样品中形成了随机晶粒取向。此外，KAM图可以反映变形和再结晶状况，其中高核平均取向值区域代表高局部应变和位错密度区域。从图2(b, f, j)的KAM图可以看出，CR-350-10和CR-350-15样品中心区域的KAM值明显高于CR-600-15样品，表明前两者中心区域存在更高的位错密度和更严重的晶格畸变。CR-350-10和CR-350-15样品的KAM值分布（图2(d, h)）显示高角度（>2°）区域比例较高，而CR-600-15样品的KAM值分布（图2(l)）主要集中在低角度（<1°）区域，表明CR-600-15样品发生了更完全的再结晶。晶界取向差分布图（图2(c, g, k)）显示，CR-350-10和CR-350-15样品含有大量小角度晶界，而CR-600-15样品主要以大角度晶界为主，进一步证实了其更完全的再结晶状态。这些结果表明，通过控制退火工艺，成功在CR-350-10和CR-350-15样品中获得了由未再结晶变形区域和部分再结晶区域组成的双峰晶粒结构，而在CR-600-15样品中获得了均匀的完全再结晶微观结构。

Conclusions

在本研究中，通过冷轧、退火和SMAT在Cu-2.2Al合金中制备了单一梯度结构和双异质结构。随后揭示了两者的力学性能和变形行为，主要发现总结如下：

(1) 在CR-350-15+SMAT样品中制备了包含中心区域双峰晶粒结构和沿深度方向梯度结构的双异质结构，该样品表现出优异的强度-塑性协同作用。

(2) 与单一梯度结构样品相比，双异质结构样品由于引入了更多的异质结构界面，产生了更强的异质变形诱导强化。

(3) 微观结构演变表明，分层级的形变孪晶和异质界面处的位错积累是同时提高强度和塑性的关键机制。

(4) 梯度结构和双峰结构之间的强相互作用导致了SMAT表面强烈且分散的应变带，有助于均匀塑性变形。

这种双异质微观结构策略为在高强度下保持良好塑性的金属材料设计提供了有效途径。