《Journal of Alloys and Compounds》：Innovative Al/Cu/Sn/Ni multi-layer composites: Tailoring mechanical properties and wear behavior through Accumulative roll bonding (ARB) and post heat treatment
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本研究通过两步工艺制备了Al/Cu/Sn/Ni多层层状复合材料，分析了6次累积轧制锻造后力学性能和磨损行为的变化。结果表明，抗拉强度和硬度随循环次数增加，归因于超细晶结构、多尺寸晶粒及Sn填充界面裂纹，但最终因Kirkendall孔、裂纹和金属间化合物导致提升有限。磨损机制从初期粘着、磨粒磨损演变为后期剥离、疲劳磨损，同时氧化磨损持续存在。结论指出显微组织演变与性能变化的关系，为优化多层复合材料提供了理论依据。
M.M. Mahdavian|H.R. Jafarian|A.R. Khodabandeh|Sh. Mirdamadi
伊朗德黑兰伊斯兰阿扎德大学材料工程系，科学与研究分部
摘要
本研究探讨了通过两步工艺（先进行累积轧制（ARB）处理，再经过热处理）制备的Al/Cu/Sn/Ni多层复合材料（MLC）在6个循环内的力学性能和磨损行为。结果表明，MLC的极限抗拉强度（UTS）和硬度从第1循环到第6循环持续增加。这种改善归因于各层的均匀分布、超细晶粒（UFGed）结构的形成、多晶粒尺寸（包括再结晶晶粒、拉长晶粒和生长晶粒）的出现，以及熔融Sn填充了微观结构中的界面裂纹。第6循环时的UTS达到最高值，为145 MPa。此外，最终循环中Al层、Cu层和Ni层的硬度分别达到63 HV、109 HV和133 HV。然而，由于形成了大量的Kirkendall空洞和裂纹（这些裂纹是由AlCu和Al?Ni?金属间化合物引起的），Cu、Sn和Ni三种增强层在Al基体中的碎裂，以及层状断裂表面的脆性，导致MLC在第6循环时的UTS和硬度相比初始值没有显著提高。这也导致第6循环时的延展率和韧性相比初始值有所下降。第6循环时MLC的延展率和韧性分别降至7.6%和5.9 × 10?? J·m?3。从磨损机制来看，由于初始循环中硬度较低且界面结合较弱，粘着磨损、磨料磨损和分层磨损占主导地位。但在第6循环中，由于硬度增加和界面数量增多，分层磨损、剥落磨损和疲劳磨损成为主要磨损机制。同时，从第1循环到第6循环，热处理后MLC的磨损表面还发生了氧化磨损。
引言
如今，铝基复合材料（AMMCs）能够结合多种类型的增强材料，如碳化物（例如SiC和B?C）、氮化物（例如Si?N?和AlN）、氧化物（例如Al?O?和SiO?），甚至纯金属（例如Ti、Ni、Cu、Mg、Sn等）。因此，这些复合材料兼具优异的电导率和热导率、高强重比，以及出色的耐磨性和耐腐蚀性[1]、[2]、[3]、[4]、[5]、[6]、[7]、[8]、[9]、[10]、[11]、[12]、[13]。总体而言，在AMMCs中，多层复合材料（MLCs）被认为是铝合金的优良替代品。事实上，除了具有高强重比外，这些复合材料还表现出比铝合金更优异的疲劳抗力和断裂韧性，从而扩展了其在各个行业的应用[14]、[15]、[16]。
近年来，一种称为累积轧制（ARB）的新固态技术被用于制备MLCs[17]。研究由ARB工艺制备的MLCs的微观结构、力学性能和磨损行为具有重要意义。由于MLC由具有不同力学性能的层组成，在不同循环中，某一层的颈缩和碎裂现象可能与另一层不同[18]，这会导致ARB工艺各循环中MLC的力学性能发生变化。随着ARB循环次数的增加，微观结构中会产生大量位错，形成位错台阶、位错偶极子和位错环，从而提高复合材料的强度[19]。因此，可以认为随着ARB循环次数的增加，加工硬化程度增加，MLC的延展率降低。然而，通过热处理在微观结构中引发部分再结晶是同时提高强度和延展率的一种方法。实际上，ARB工艺产生的拉长晶粒与热处理后形成的再结晶晶粒共同作用，可以在微观结构中形成多晶粒尺寸（即再结晶晶粒、拉长晶粒和生长晶粒）[5]、[19]、[20]。因此，ARB工艺产生的加工硬化拉长晶粒提高了材料的强度，而热处理后形成的无应变再结晶晶粒则改善了材料的延展率[5]、[20]。然而，多晶粒尺寸的存在可能对MLC的磨损行为产生负面影响。实际上，由于塑性变形过程中销钉表面在磨损表面的移动导致温度升高，再结晶晶粒可能会变得粗糙。这种现象会导致磨损表面附近新生长晶粒、ARB工艺形成的拉长晶粒和热处理后形成的再结晶晶粒之间的应变不匹配。结果，片状磨损碎屑从磨损表面脱落，从而在磨损表面产生分层磨损机制。此外，随着ARB循环次数的增加，ARB基体材料的微观结构中会产生大量界面，加剧了分层磨损和疲劳磨损机制，从而降低了耐磨性[21]。当然，热处理后在磨损表面形成保护性氧化层可以提高MLC的耐磨性[22]。此外，由于热处理，微观结构中可能形成二次相沉淀物或金属间化合物。由于这些材料的硬度高于基体相，它们有助于降低材料的磨损速率（根据Archard公式）[23]、[24]、[25]。
迄今为止，已经使用ARB工艺或两步工艺（即ARB工艺和热处理）研究了少数铝基MLCs的微观结构、抗拉强度和磨损行为，例如Al1100/Mg-9Li-1Zn/Al110 [26]、Al–Ag-Sc [27]、Al/Cu/MoS?/WC [28]、Al/Mg/Cu [29]、Al/ZK60Mg [30]、Al/黄铜-ZrO? [31]、Al/Cu/黄铜 [32]。然而，尚未研究通过两步工艺制备的四层铝基复合材料的磨损行为和力学性能。因此，本研究的目的是首次全面考察通过两步工艺制备的Al/Cu/Sn/Ni MLC的力学性能和磨损行为。
实验程序
本研究提供了所用板材的尺寸和退火条件、化学成分信息，以及使用两步工艺（即ARB工艺和热处理）制备MLC的步骤[19]。
使用光学显微镜（OM，Olympus-BX60M）、场发射扫描电子显微镜（FE-SEM）和透射电子显微镜（TEM）来研究Al/Cu/Sn/Ni MLC的宏观/微观结构。
Al/Cu/Sn/Ni MLC的宏观/微观结构特征概述
图1(a-d)展示了不同循环下Al/Cu/Sn/Ni MLC的宏观结构OM图像。如图1(a)所示，在夹层循环过程中，Ni层和Sn层出现了严重的碎裂现象。据报道，在Al-Sn多层复合材料中，由于Sn层的高延展性，Sn层在轧制过程的第八循环之前并未发生断裂[13]。此外，如图1(b)所示，Cu层从第1循环开始也出现了断裂现象。
结论
本研究评估了Al/Cu/Sn/Ni MLC在6个循环内的力学性能和磨损行为。实验结果总结如下：
在初始循环中，由于增强层分布不均匀、界面结合不足、Cu层、Sn层和Ni层在Al基体中的碎裂，以及Sn层和Ni层断裂表面的脆化，导致MLC的延展率和韧性下降。
利益冲突声明
作者与本研究、作者身份或论文发表不存在任何可能被视为潜在利益冲突的情况。
