铜/铝复合薄带中金属间化合物主导的界面断裂机制：拉伸变形下的微观结构与力学行为解析

本研究针对Cu/Al复合薄带(CTSs)在拉伸过程中因金属间化合物(IMCs)层导致的界面失效问题，通过SEM、TEM和EBSD等多尺度表征技术，揭示了IMCs裂纹起源于CuAl2 层并扩展至Cu9 Al4 的断裂机制，发现应力波动与局部位错强化相关，为优化层状金属复合材料性能提供理论依据。

　　

在工业应用中，铜/铝(Cu/Al)层状金属复合材料(LMCs)因其兼具铜的导电性和铝的轻量化特性而备受青睐。然而，材料制备过程中不可避免会形成脆性金属间化合物(Intermetallic Compounds, IMCs)界面层，这成为制约其力学性能和服役稳定性的"阿喀琉斯之踵"。尤其当IMCs层厚度达到整体材料厚度的五分之一时（如本研究中18μm厚的IMCs层），其主导的断裂行为更成为学术界和工业界亟待破解的难题。传统研究虽已确认IMCs会降低界面结合强度，但对其三种亚层（θ-CuAl₂
、η₂
-CuAl和γ₁
-Cu₉
Al₄
）在裂纹萌生与扩展中的具体作用机制仍不明确，且IMCs裂纹对基体微观结构的影响更是迷雾重重。

为揭开这一界面失效的"黑箱"，国内某研究团队通过微轧制和450℃/1h退火工艺制备了IMCs层占比达18%的Cu/Al复合薄带(CTSs)，创新性地结合常规拉伸与原位SEM拉伸实验，辅以电子背散射衍射(EBSD)和透射电镜(TEM)等先进表征技术，在《Materials》上发表研究论文，首次系统揭示了IMCs层主导的复杂断裂机制及其与应力波动的内在关联。

研究团队采用三大关键技术：1）通过微轧制（60%压下量）和精确退火控制IMCs层生长；2）运用原位SEM拉伸平台实时捕捉裂纹演化过程；3）结合EBSD晶粒取向分析和TEM界面相鉴定，构建了从宏观力学响应到原子尺度结构的完整研究链条。

【3.1 含IMCs层的Cu/Al复合薄带微观结构】
通过TEM选区衍射和HRTEM证实界面存在CuAl₂
（四方晶系）、CuAl（单斜晶系）和Cu₉
Al₄
（立方晶系）三相。EBSD显示CuAl₂
晶粒呈垂直于界面的柱状形态，而CuAl和Cu₉
Al₄
为等轴晶，且在Cu₉
Al₄
层附近存在异常细小的Cu晶粒区，这为后续裂纹扩展分析提供了结构基础。

【3.3 裂纹形成与界面断裂】
在0.3%应变时即观察到两类特征裂纹：贯穿IMCs层的"IMCs裂纹"和沿Al晶界扩展的"Al裂纹"。值得注意的是，两者均起源于Al/CuAl₂
界面，这与该处最大的硬度差异（CuAl>Cu₉
Al₄

CuAl₂
Cu>Al）导致的应力集中直接相关。随着应变增至4%，IMCs裂纹数量呈指数级增长，与应力-应变曲线的波动特征高度吻合。

【3.4 原位拉伸过程】
研究捕捉到应力波动的本质是"裂纹萌生-应力释放-位错强化"的循环过程：每当新IMCs裂纹产生，应力骤降；随着裂纹扩展，裂纹尖端诱发Cu基体位错堆积（GNDs密度升高）和晶粒取向旋转（最大达50°），通过激活额外滑移系实现局部强化，从而推动应力再次上升。这种独特的"自我修复"机制使得材料在IMCs层存在下仍能保持一定延展性。

【4.2 IMCs层与应力波动的关系】
通过Schmid因子分析发现，裂纹尖端附近晶粒会从硬取向（Schmid因子<0.3）向软取向转变。例如某典型Cu晶粒的滑移系a3（(111)[1?01]）因子从0.12升至0.41，这种取向旋转使原本难以启动的滑移系被激活，形成明显的滑移带。而孪晶界和晶界会阻碍这种旋转，说明材料初始织构对IMCs裂纹的抗力具有重要影响。

这项研究的重要意义在于：首次阐明Cu/Al复合薄带中IMCs裂纹的萌生优先发生在CuAl₂
层，颠覆了传统认为最硬相（CuAl）最易开裂的认知；揭示应力波动本质是IMCs裂纹与位错强化的动态平衡过程，为开发高强韧层状复合材料提供了新思路——通过调控IMCs亚层比例和基体织构，可主动利用这种"损伤-强化"循环效应提升材料性能。该成果不仅适用于Cu/Al体系，对其它层状金属复合材料（如钛/钢、镁/铝等）的界面设计同样具有指导价值。