揭示时效硬化机制：基于第一性原理的碳化物研究以及含铌奥氏体不锈钢的力学性能提升

《Materials Science and Engineering: A》：Unveiling age-hardening mechanisms: first-principles carbide insights and enhanced thermomechanical fatigue in niobium-bearing austenitic stainless steels

纯铜经ECAP（Δε=0.48）与MDF（Δε=0.075/0.15）组合工艺处理后，微观结构演变和力学性能呈现显著应变路径依赖性：ECAP单独作用时高角晶界（HAGBs）比例持续增加，晶粒细化效果显著；而ECAP+MDF组合工艺在总应变εt≈5.5时HAGBs比例部分恢复至30%，晶粒尺寸（14-15μm）较ECAP单独处理更粗大。力学测试表明，ECAP预应变提高材料强度，而MDF后续处理使硬度趋近MDF单独处理水平，屈服强度σ0.2%随MDF应变幅增大显著降低，揭示低SFE金属中混合工艺的强化机制与稳定性调控规律。

　　铜是一种广泛应用于电子、电气和热交换等领域的材料，因其具有良好的导电性和导热性，同时具备较高的延展性。近年来，严重塑性变形（Severe Plastic Deformation, SPD）技术成为研究金属微观结构演变和力学性能提升的重要手段。SPD技术能够通过高应变加工，在不改变材料化学成分的前提下显著细化晶粒，从而改善材料的强度、硬度和耐久性。本文研究了在室温条件下，通过等通道转角挤压（Equal Channel Angular Pressing, ECAP）和多向锻造（Multi-Directional Forging, MDF）的组合工艺对铜材料的微观结构和力学性能的影响。

ECAP是一种常见的SPD技术，通过在无轴向压缩的条件下对材料施加剪切应变，使其产生大量的位错并形成细小的亚晶粒。该技术已被广泛用于多种金属材料的加工，例如铝、镁等。MDF则是一种多向加载的工艺，通过在多个方向上施加压缩变形，进一步细化晶粒并改变其取向。在本研究中，实验采用了两种不同的ECAP应变幅度（Δε = 0.48），分别进行1次和4次ECAP处理，随后进行不同应变幅度（Δε = 0.075和Δε = 0.15）的MDF处理，总应变达到约5.5。通过这种方法，研究人员能够区分应变幅度与总应变之间的相互作用，以及不同工艺组合对材料性能的影响。

实验结果显示，ECAP处理在一定程度上促进了铜材料的晶粒细化，但其效果受到应变幅度和处理次数的显著影响。相比之下，MDF处理则表现出更明显的应变幅度效应。当MDF的应变幅度较低时，晶粒细化的速度明显减缓，而较高的应变幅度则能够更快地促进晶粒细化。然而，当将ECAP和MDF结合使用时，研究发现这种组合并没有像在铝材料中那样显著加速晶粒细化，反而导致了晶界结构的重新组织。这表明在铜材料中，ECAP与MDF的组合路径可能不会像在其他金属中那样直接导致晶粒细化的增强。

电子背散射衍射（Electron Backscatter Diffraction, EBSD）分析进一步揭示了这一现象。研究发现，ECAP处理后的材料中，高角度晶界（High-Angle Grain Boundaries, HAGBs）的比例随着处理次数的增加而逐渐上升，但在随后的MDF处理过程中，这种比例的变化并不如预期那样迅速。相反，MDF处理似乎将应变能量重新分配到了低角度晶界（Low-Angle Grain Boundaries, LAGBs），并延迟了晶粒细化的进程。只有在总应变达到约5.5时，HAGBs的比例才部分恢复到约30%，并且晶粒尺寸稳定在约14–15微米。这种晶粒尺寸比仅通过ECAP处理得到的更粗大，表明MDF在一定程度上抑制了ECAP带来的细化效应。

从力学性能的角度来看，ECAP预应变对铜材料的硬度和屈服强度（σ?.?%）有显著的提升作用。然而，当结合MDF处理时，硬度值逐渐收敛至仅MDF处理的水平，而屈服强度则出现了明显的下降，尤其是在较高的MDF应变幅度下。这一现象反映了屈服强度对加工路径变化的高度敏感性，即在加工过程中，当材料经历应变路径的反转时，其屈服强度的变化更为显著。因此，在设计SPD工艺时，需要考虑应变路径的连续性和稳定性，以避免因路径反转而导致的性能退化。

这一研究结果对于理解低至中堆垛层错能（Stacking Fault Energy, SFE）金属中的应变路径依赖性具有重要意义。在铜材料中，由于其较低的SFE，动态回复（Dynamic Recovery）过程受到一定限制，导致位错的再分布和晶界演变相对缓慢。因此，ECAP与MDF的组合路径并未表现出与铝材料相似的显著晶粒细化效果，而是更多地关注于晶界结构的重新组织。这种现象提示，在设计SPD工艺时，应充分考虑材料本身的特性，例如SFE、加工温度和应变路径的连续性，以实现最佳的微观结构和力学性能。

此外，研究还发现，在相同的总应变条件下，不同的应变路径会对材料的微观结构产生不同的影响。例如，经过1次ECAP处理后再进行MDF，可以显著提高HAGBs的比例，而经过4次ECAP处理后再进行MDF，其提升效果则相对有限。这说明预应变的程度在很大程度上决定了后续MDF处理对材料性能的影响。因此，在实际应用中，可以通过调整ECAP的处理次数和MDF的应变幅度，来优化材料的微观结构和力学性能。

从技术应用的角度来看，铜材料的这些特性使其成为研究SPD技术的理想对象。由于其良好的导电性和导热性，铜在电子设备、电气连接和热交换系统中有着广泛的应用。然而，这些应用往往需要材料在承受复杂或循环热机械载荷的同时，保持其机械性能和导电性的平衡。因此，研究铜材料在不同SPD工艺下的微观结构演变和力学性能变化，不仅有助于深入理解SPD机制，还为优化铜基材料的性能提供了理论依据和技术指导。

总的来说，本研究通过系统的实验分析，揭示了ECAP与MDF组合工艺对铜材料微观结构和力学性能的影响机制。研究结果表明，在铜材料中，这种组合路径更倾向于促进晶界结构的重新组织，而非加速晶粒细化。这一发现为设计和优化铜基材料的SPD工艺提供了新的思路，尤其是在需要平衡微结构细化与材料稳定性的情况下。同时，该研究也强调了应变路径在SPD过程中对材料性能的决定性作用，为相关领域的研究和应用提供了重要的参考价值。