Cu–Ni–Si合金的两步室温与深冷轧制：缺陷继承、析出响应与性能平衡

《Materials Science and Engineering: A》：Two-Step Room-Temperature and Cryogenic Rolling of a Cu–Ni–Si Alloy: Defect Inheritance, Precipitation Response, and Property Balance

　　

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  在两步室温/低温轧制中，鉴定出了一种序列依赖的缺陷继承 - 重建机制。
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  低温变形的位置决定了时效前的缺陷状态，而不仅仅是增加了缺陷密度。
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  继承的缺陷构型调控最终时效期间的随后 δ-Ni₂Si 析出响应。
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  加工序列通过缺陷 - 析出耦合重新分配强度 - 塑性 - 电导率平衡。
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  在量化的强化机制中，析出强化表现出最强的路径敏感性。

引言

高性能铜合金广泛应用于先进连接器、电子设备和新能源汽车中，通常要求具有高强度、足够的塑性和高电导率。对于 Cu-Ni-Si 合金而言，仅提高强度不足以满足实际需求。高密度缺陷和严重的塑性变形可以增强机械强度，但它们也倾向于加剧电子散射，从而降低电导率。相反，过度强调电导率可能会损害强化效果。因此，通过热机械处理平衡强度、塑性和电导率仍然是 Cu-Ni-Si 合金微观组织设计中的关键问题 [1]。

Cu-Ni-Si 合金的性能在很大程度上受变形诱导缺陷与时效诱导析出之间相互作用的支配。位错、晶界和变形亚结构阻碍位错运动并贡献强化，同时充当电子散射源。在时效过程中，Ni 和 Si 通过形成 δ-Ni₂Si 析出相从 Cu 基体中耗竭。该过程提供了析出强化，并通过降低基体中残余溶质原子的浓度，削弱电子 - 溶质散射并促进电导率恢复 [1], [2]。早期的低温轧制研究和近期的两阶段轧制 - 时效研究表明，变形诱导的位错结构会影响随后的 δ-Ni₂Si 析出 [3], [4]。因此，在多级变形 - 时效处理期间，缺陷储存、回复、重排、溶质重分布和析出应被视为耦合过程，而不是独立事件。在这样的热机械路径中，关键问题不仅仅是引入了多少缺陷，而是它们在随后的热处理和再变形过程中如何被保留、重建或消耗，以及这些继承的缺陷状态如何参与随后的析出过程 [2], [3], [5]。

低温轧制提供了一种有效修改这种缺陷 - 析出耦合的手段。与室温变形相比，降低变形温度改变了位错储存和缺陷的空间组织，同时影响位错滑移、层错形成和变形孪晶 [6], [7], [8]。关于 Cu-Ni-Si 合金的研究表明，低温和室温轧制建立了不同的缺陷储存状态，随后改变了 δ-Ni₂Si 析出以及由此产生的强度 - 电导率响应 [7], [9]。在几种铜基合金体系中，变形温度也改变了滑移与孪晶之间的竞争以及随后的织构演变，从而产生位错、局部晶格应变和孪晶在多个长度尺度上共存的微观组织 [6], [8]。因此，低温轧制更适当地被视为一种修改变形缺陷总体水平和空间组织的加工策略，而不是可以简化为单一“孪晶强化”机制的处理。

尽管对低温轧制本身对 Cu-Ni-Si 合金微观组织和最终性能的影响给予了相当大的关注，但其位置在多级热机械路径中的影响仍然理解不足。现有工作主要集中关注室温与低温轧制之间的平行比较 [7], [9]、重复或多级低温变形 [10], [11]，以及中间时效和随后变形对缺陷结构、析出状态和整体性能的影响 [5], [11], [12]。相比之下，在相同总压下量和热处理条件下，室温后低温序列与低温后室温序列之间的直接比较仍然有限。更广泛地说，应变路径研究表明，即使在相似总应变下，从前序变形继承的位错亚结构和晶体学取向也可以修改对随后变形和退火的响应；应变路径的改变可能会重组预先存在的亚结构，而不仅仅是累积额外的缺陷 [13], [14]。对于两阶段室温/低温轧制，通过中间热处理从第一个变形步骤继承的缺陷状态，及其与第二个变形条件的相互作用，因此可能在决定随后的微观组织演变中发挥重要作用 [5], [11], [15], [16]。当在 A1 之前引入低温变形时，相关缺陷首先经历中间时效；当在 A1 之后引入低温变形时，新形成的缺陷直接构成最终在 A2 时效前的初始状态。先前的研究表明，低温变形后的缺陷储存不会单调演变，因为随后的热处理和再变形可以进一步重组缺陷结构并改变随后的析出响应 [8], [12]。因此，低温变形的加工位置可能支配随后继承缺陷的演变，进而影响析出行为、微观组织和最终性能平衡。

为了解决这个问题，设计了两条具有相同总变形和热处理时间表但室温/低温轧制序列相反的热机械加工路线：RT1-A1-CT2-A2（路线 1）和 CT1-A1-RT2-A2（路线 2）。系统地比较了两条路线在不同加工阶段的机械和电学性能、晶粒和织构演变、A2 之前的位错/GND 和纳米孪晶结构以及最终时效后的 δ-Ni₂Si 析出。主要目标不仅仅是最大化最终强度，而是研究反转两个轧制阶段之间的温度分配如何影响缺陷继承、析出响应以及由此产生的强度 - 塑性 - 电导率平衡。进一步评估了晶界、位错和析出强化，以建立加工序列、缺陷继承/重建、析出响应和最终性能平衡之间的关系。结果提供了设计高强高导 Cu-Ni-Si 合金多级热机械路线的微观组织基础。

章节摘要

合金与加工路线

本研究使用了一种 C70250 Cu-Ni-Si-Mg 合金板，其化学成分列于表 1 中。Ni 和 Si 是主要的析出形成元素，而 Mg 作为次要合金添加物存在。为简单起见，该合金此后被称为 Cu-Ni-Si 合金。设计了两条热机械加工路线，RT1-A1-CT2-A2（路线 1）和 CT1-A1-RT2-A2（路线 2），具有相同的总压下量和热处理时间表，但分配不同

机械和电学性能演变

图 2 展示了两条加工路线在不同阶段的机械和电学性能。显微硬度和电导率在加工期间均表现出阶段依赖性变化。最终时效 A2 后，路线 1 和 2 的显微硬度值分别为 227 和 218 HV，而相应的电导率为 48.68% 和 49.38% IACS。因此，两种加工序列产生了不同的硬度 - 电导率组合：路线 1

加工序列诱导的位错 - 纳米孪晶缺陷继承与重建

尽管两条路线涉及相同的总变形和热处理时间表，但在最终时效前形成了不同的缺陷状态。如第 3.4 节所示，与 RT1-A1-CT2 相比，CT1-A1-RT2 表现出更高的 KAM、GND 密度和晶格微观应变，而其 XRD 估算的表观位错密度相当且略低。在第 4.1 节中，我们已澄清组合的 EBSD 和 XRD 分析提供了关于局部取向梯度和晶格

结论

本研究比较了两条反转室温/低温轧制序列的热机械加工路线，RT1-A1-CT2-A2（路线 1）和 CT1-A1-RT2-A2（路线 2）。主要结论如下：

(1) 两条路线在最终时效后产生了不同的强度 - 塑性 - 电导率组合。路线 1 表现出 653.82 MPa 的屈服强度、700.23 MPa 的抗拉强度、9.42% 的延伸率、227 HV 的硬度和 48.68% IACS 的电导率，而路线 2 的相应值为 667.59

CRediT 作者贡献声明

Zhonghan Jiang: 调查。Jie Tian: 软件。HaiNing Wang: 软件。Changjian Lu: 方法论。Guoshang Zhang: 撰写 - 审查与编辑。DongYa Wang: 软件。Yonghao Zhao: 可视化。Zhenfang Shen: 撰写 - 原稿，调查。Kexing Song: 撰写 - 审查与编辑。Yahui Liu: 撰写 - 审查与编辑，调查。Lei Zhao: 方法论。Yanjun Zhou: 方法论。Feng Liu: 方法论

新颖性声明

本工作揭示了室温轧制和低温轧制的顺序如何调控经历两步变形和时效的 Cu-Ni-Si 合金中的缺陷继承、析出响应和最终性能平衡。而不是仅将低温变形视为一种独立的强化处理，本研究侧重于其在多级热机械路径中的位置。反转两个轧制阶段的温度分配会产生不同的时效前

利益冲突声明

? 作者声明他们没有已知的竞争性经济利益或个人关系，这些可能被认为影响本论文中报告的工作。

致谢

本工作得到了河南省联合基金科技研究重点项目 (245200810048)、河南省重大产业“揭榜挂帅”项目 (251000230100)、中国科学院河南分院人才团队建设项目 (232017013) 和河南省科学院材料研究所高水平成果奖及培养项目 (20252317001) 的支持。

我们真诚地感谢 Qianqian Zhu 教授和教授

Zhenfang Shen|Yahui Liu|Lei Zhao|Yanjun Zhou|Feng Liu|Zhonghan Jiang|Jie Tian|HaiNing Wang|Changjian Lu|Guoshang Zhang|DongYa Wang|Yonghao Zhao|Kexing Song