具有均匀分布条状Bi相的Al-Bi合金的力学性能与电导率协同效应

《Journal of Materials Research and Technology》：Mechanical property and electrical conductivity synergy of Al-Bi alloys with uniform distribution of strip-like Bi phase

　　

金属材料中强度与电导率之间的权衡关系已引起研究人员的广泛关注，旨在获得兼具高强度和高电导率的合金。本研究探讨了Bi元素对纯Al力学性能和电导率的影响。在所研究的成分中，Al-3Bi合金展现出硬度与电导率之间最有利的平衡，因此被选用于后续的挤压和详细冷轧研究。通过热挤压制备了成分优化的Al-3Bi合金，随后进行了压下率为95%的冷轧。轧制态Al-3Bi合金的电导率为62.9 %IACS，抗拉强度为172 MPa。相比之下，在相同加工条件下，纯Al的电导率为61.8 %IACS，抗拉强度为124 MPa。微观结构分析表明，条状Bi相均匀分布于α-Al基体中。Bi的低固溶度、低体积分数以及沿轧制方向的定向排列最大限度地降低了其对电子输运的不利影响，使合金保持高电导率。同时，透射电子显微镜（TEM）观察揭示了α-Al与Bi之间的两种取向关系：Al [ 0]( 11) // Bi [210](003) 和 Al [ 0](1 1) // Bi [](0 )，且两种α-Al/Bi取向均呈现半共格界面。在变形过程中，α-Al/Bi界面处形成了应变梯度层，促进了位错的产生和堆积，导致α-Al基体内位错密度增加，从而提高了Al-3Bi合金的强度。

**Al-Bi合金强度-电导率协同机制研究解读**

随着电力传输、新能源设备和电子器件的快速发展，对兼具高强度和高电导率金属材料的需求日益迫切。铝合金因密度低、成本低和优异的导电性能而被广泛用作导电材料，但强度与电导率之间存在固有矛盾：低合金化铝强度不足，而高合金化铝电导率显著下降。例如，典型导电铝合金8030的电导率约为61 %IACS，但抗拉强度通常低于150 MPa；6xxx系Al-Mg-Si合金通过时效处理可获得超过300 MPa的强度，但电导率往往低于50 %IACS。固溶强化会显著增加电子散射，而沉淀强化可在提高强度的同时降低基体溶质浓度，因此被认为是平衡强度与电导率的更优途径。Al-Bi合金中Bi在Al中的固溶度极低，大部分以独立金属相存在，有望在保持高电导率的同时通过变形引入位错强化。然而，变形过程中Bi相形貌演化、Al/Bi界面结构对位错积累的影响，以及Bi相定向排列对电导率的作用机制尚不明确。为此，研究人员系统开展了Al-Bi合金成分优化、热挤压和冷轧变形研究，建立了微观组织与性能之间的关系，相关成果发表在《Journal of Materials Research and Technology》。

研究人员首先制备了不同Bi含量的Al-xBi合金（x=0.5、1、2、3、4 wt.%），通过硬度与电导率筛选确定Al-3Bi为最优成分。随后对Al-3Bi合金和纯Al进行250 ℃预热、热挤压（挤压比31.6）及压下率10%–95%的多道次冷轧。采用X射线衍射（XRD）进行物相鉴定和微应变分析，并通过Williamson-Hall法估算位错密度；利用扫描电子显微镜（SEM）结合能谱（EDS）观察Bi相形貌和分布；采用电子背散射衍射（EBSD）分析晶粒取向、晶界取向差和局部取向差；利用透射电子显微镜（TEM）和高分辨TEM表征Al/Bi界面结构。拉伸性能和电导率均沿轧向（RD）测试。

**3.1 基于铸态组织和性能的Al-Bi合金优化**
XRD和SEM结果表明，随Bi含量增加，Bi相衍射峰增强，Bi颗粒数量增多。Al-3Bi合金在铸态、50%和95%冷轧后均表现出峰值硬度（25 HV）和最佳电导率（61.7 %IACS），冷轧后电导率不降反升，因此被选作后续研究对象。

**3.2 热挤压和冷轧过程中Al-3Bi合金的微观组织演变**
挤压后Bi相呈条状均匀分布于α-Al基体，并沿挤压方向定向排列；随冷轧压下率增加，条状Bi相逐渐扁平化并最终演变为纤维状，平均长度从11 μm增至16.6 μm，长径比从12.8升至14.9。EBSD分析显示，挤压态合金含大量亚晶界，平均取向差9.28°，平均晶粒尺寸2.3 μm；50%冷轧后高角度晶界分数增加，平均取向差升至26.9°，晶粒尺寸增至4.05 μm；95%冷轧后平均取向差降至23.07°，晶粒尺寸减至3.36 μm。KAM分析显示局部取向梯度先降后升。TEM观察发现，α-Al与Bi之间存在半共格界面，并确立两种取向关系：Al [ 0]( 11) // Bi [210](003) 和 Al [ 0](1 1) // Bi [](0 )。界面处存在晶格畸变和位错堆积，表明应变梯度促进了位错产生。

**3.3 纯Al和Al-3Bi合金的力学性能与电导率**
硬度测试表明，Al-3Bi合金冷轧后的硬度增量显著高于纯Al，95%冷轧后硬度为42 HV，纯Al为30 HV。拉伸试验显示，Al-3Bi合金经95%冷轧后屈服强度161 MPa、抗拉强度172 MPa，较挤压态分别提高56%和59%；纯Al在相同条件下抗拉强度仅124 MPa。电导率方面，Al-3Bi合金在95%冷轧后仍保持62.9 %IACS，略高于纯Al的61.8 %IACS。断口分析显示Bi相位于韧窝底部，表明Bi颗粒作为微孔形核点参与断裂过程。

讨论部分基于Matthiessen规则分析了电导率贡献，指出Bi固溶度极低、体积分数仅0.85 vol.%，且冷轧后Bi相沿RD定向排列，减小了对电子输运的干扰，因此电导率得以保持。强化机制计算表明，晶界强化和载荷传递贡献有限，而位错强化占主导地位。通过微应变计算出Al-3Bi合金95%冷轧后位错密度为1.94×10¹⁴ m^-2，位错强化贡献达62.4 MPa，远高于纯Al的25.4 MPa，证明Bi相显著增强了Al基体的位错存储能力。

研究结论如下：(1) 挤压态Al-3Bi合金中条状Bi相均匀分布，因Bi固溶度极低和体积分数低，合金保持61.6 %IACS的高电导率，高于挤压态纯Al的60.8 %IACS。(2) 随冷轧压下量增加，Bi相由条状演变为扁平状直至纤维状，均沿RD排列；尽管变形缺陷增加，95%冷轧后Al-3Bi合金仍具有62.9 %IACS的高电导率。(3) 变形过程中Bi/Al界面形成应变梯度，诱导Al基体内产生高密度几何必要位错，使95%冷轧后Al-3Bi合金抗拉强度达172 MPa，而纯Al仅为124 MPa。(4) 理论计算显示，95%冷轧态Al-3Bi合金的位错强化贡献为62.4 MPa，显著高于纯Al的25.4 MPa，说明Bi添加提高了Al基体在塑性变形中积累位错的能力。该研究通过调控Bi相形貌和界面结构，为设计兼具中等强度和高电导率的铝合金提供了新途径。