《Journal of Materials Science & Technology》：In situ observation and dynamic evolution of 9R structures enabled by Mg/Ag alloying for exceptional strength-conductivity synergy in a Cu alloy wire
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•Cu-Ni-Co-Si-Mg-Ag合金丝实现1055 MPa强度和48.2% IACS电导率。•原位X射线衍射和显微镜揭示应变响应式9R结构的演化。•强拉拔织构提高了广泛应用缺陷系统激活所需的应力。•Mg/Ag协同偏聚稳定析出相界面并降低层错能。•局部9R结构适应剪切变形并
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Cu-Ni-Co-Si-Mg-Ag合金丝实现1055 MPa强度和48.2% IACS电导率。
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原位X射线衍射和显微镜揭示应变响应式9R结构的演化。
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强拉拔织构提高了广泛应用缺陷系统激活所需的应力。
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Mg/Ag协同偏聚稳定析出相界面并降低层错能。
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局部9R结构适应剪切变形并促进位错储存。
引言
铜合金由于其不可替代的应用——在电力传输、高速列车接触系统、电子连接器和先进制造设备中——引起了广泛关注[[1], [2], [3], [4], [5]]。这些应用要求材料同时具备高机械可靠性和优异的电导率。然而，在铜合金中，强化过程往往导致电导率下降，这主要是由于溶质原子、位错和界面引起电子散射增加所致[6,7]。因此，平衡强度与电导率仍是高性能铜合金开发中的基本科学挑战。沉淀强化铜合金，特别是Cu-Ni-Co-Si体系，通过析出纳米级δ-(Ni, Co)2Si相提供了一种有效策略来应对这一矛盾，该相在大幅改善强度的同时，通过基体纯化部分恢复电导率[8,9]。尽管如此，仅依赖传统沉淀强化已逐渐达到其理论瓶颈，使得实现超高强度与优异电导率的最优协同变得极为困难。
近年来，共格平面缺陷，包括变形孪晶(DTs)、层错(SFs)和9R结构，作为高电导率Cu合金的潜在强化特征，受到了越来越多的关注。与传统强化相比，这些密排平面缺陷在提供对位错运动的显著阻力时，对电子传输的干扰相对有限。其中，9R结构由密排{111}面上Shockley部分位错产生的周期性堆垛序列构成，通常出现在DTs、晶界或高应变界面附近[[10], [11], [12], [13]]。然而，由于Cu相对较高的层错能(SFE)不利于扩展部分位错和稳定层错积累的形成，在Cu中形成和保留9R结构仍然困难。因此，调控SFE和局部界面稳定性的合金化策略可能为促进局部9R形成提供一条有效途径。据报道，Mg可以改变Cu合金的SFE并提高变形结构的热稳定性[14,15]。Ag可以影响沉淀动力学和析出相/基体界面稳定性，同时对电导率的影响相对有限[[16], [17], [18], [19]]。然而，Mg和Ag在Cu-Ni-Co-Si合金中的空间分布，特别是它们在δ-(Ni, Co)2Si析出相界面处的偏聚行为，仍未能得到充分理解。更重要的是，Mg/Ag协同偏聚是否能够同时降低局部SFE、稳定析出相/基体界面，从而为高拉拔Cu合金丝中局部9R演化提供有利的热力学和结构条件，仍然不清楚。
除合金化外，大量研究表明，适当的塑性变形工艺，如轧制、挤压和拉拔，可以有效影响亚结构演化、促进析出和细化晶粒结构，从而进一步提高整体性能[[20], [21], [22], [23]]。此外，合成高强铜合金丝不可避免地涉及连续且严重的应变积累（多步冷拉拔），这触发了深刻的晶体学织构演化。在面心立方(FCC)金属中，剧烈塑性流动涉及完美位错滑移、部分位错(PD)活动、层错积累和局部结构相变之间的取向依赖性竞争[[24], [25], [26], [27]]。因此，拉拔诱导的织构并不直接决定9R的形成，但它改变了滑移和PD活动的几何有利性，从而影响在降低SFE和界面诱导应力集中条件下的局部SF积累。在所形成的变形结构中，局部9R结构尤为引人注目，因为其周期性层错界面可以阻碍位错运动、促进位错储存，并与孪晶和纳米级析出相相互作用，同时可能对电子传输的影响相对有限[28,29]。近期原位透射电子显微镜(TEM)研究表明，9R结构可以在FCC金属的应力诱导ITB → 9R → DT转变过程中作为过渡构型动态演化[[30], [31], [32]]。然而，与以往聚焦于纯Al或变形Cu基材料中静态观测的9R结构的研究不同，沉淀强化Cu合金丝中9R结构的应变响应式演化仍然不清楚。其对强度-电导率平衡的贡献不仅取决于其在拉拔后的存在，还取决于其在继续变形过程中的演化方式。静态微观结构表征可以确定拉拔后保留的9R结构的存在及其空间分布，但如果不研究其在后续变形过程中的演化，则无法完全理解其作用。特别是，9R结构在应变增加时是保持稳定、继续发展还是部分消耗，以及这种演化如何影响位错活动、平面缺陷相互作用和应变适应，仍不清楚。因此，解析9R结构的应变依赖性演化对于阐明其对高拉拔Cu合金丝变形行为和力学性能的影响至关重要。
在本工作中，我们研究了Mg/Ag微合金化和多步冷拉拔对Cu-Ni-Co-Si合金丝中局部9R形成和演化的耦合效应。Mg和Ag微合金化改变了Cu-Ni-Co-Si合金中局部9R形成的热力学条件，以及这些9R结构在高拉拔丝的塑性变形过程中是否动态演化。利用原子探针断层扫描(APT)和原子尺度计算解析了Mg和Ag的空间分布，并评估了它们对析出相界面稳定性、SFE和局部电子结构的影响。然后将静态和原位同步辐射X射线衍射(XRD)/TEM表征相结合，追踪局部9R结构的形成和应变响应式演化。结果表明，Mg/Ag介导的界面和层错调控为9R形成创造了有利条件，而拉拔诱导的织构演化则改变了孪晶和PD介导变形的几何激活。这些动态演化的9R结构与纳米级析出相和位错相互作用，形成分级阻碍网络，促进了拉拔合金丝的高强度-电导率组合。
节选
合金制备与加工
设计的Cu-2.5Ni-0.7Co-0.79Si-0.2Mg-0.08Ag (CMA)合金的制备遵循与我们之前工作相同的方法，更多细节和成分测试结果（感应耦合等离子体光学发射光谱仪，Avio 220，ICP）可在补充材料中找到。制备了初始直径为8 mm的合金棒，随后通过多步冷拉拔结合中间时效处理，获得合金丝，直径为
力学性能与电导率
图1总结了CMA合金在多步拉拔和时效处理过程中力学性能和电导率的演化。固溶处理棒材（ε = 0）表现出相对较低的抗拉强度(UTS)为564 MPa、屈服强度(YS)为433 MPa和延伸率(EL)为13.4%（图S2）。在ε = 1.96（CD）时，强度超过1 GPa。随后的时效略微降低了强度但提高了延展性。在ε = 1.96时效处理后，合金达到
控制局部9R形成的热力学和电子因素
为阐明9R结构形成的热力学根源以及Mg和Ag微合金化的作用，系统地进行了界面能计算、GSFE分析、电荷密度差分(CDD)计算和电子结构分析，如图8、图9所示。
图8(a–d)展示了不同合金化条件下的Cu/δ-(Ni, Co)2Si界面模型，包括基体界面、添加Ag、添加Mg以及Mg-Ag共同合金化状态。相应的原子
结论
在本工作中，系统地研究了经多步冷拉拔和时效处理的Cu-Ni-Co-Si-Mg-Ag合金的微观结构演化、动态9R结构转变和强度-电导率协同。主要结论总结如下：
- (1)
通过多步冷拉拔和时效处理，开发出具有良好强度-电导率组合的Cu-Ni-Co-Si-Mg-Ag合金丝。ε = 3.79 PA样品实现了1055 MPa的UTS、955 MPa的YS、5.9%的EL和电导率
CRediT作者贡献声明
李隆剑：撰写——初稿，方法学，调查，数据整理。袁振雄：方法学，调查，数据整理。于宏伟：方法学，数据整理。辛同正：撰写——审阅与编辑，监督。解金川：撰写——审阅与编辑，监督。陈泽元：方法学，数据整理。赵凯：方法学，数据整理。康慧军：撰写——审阅与编辑，监督，调查。陈宗宁：撰写——审阅与编辑，监督。
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，这些可能影响本文所报告的工作。
致谢
本研究得到了国家重点研发计划（项目编号：2026YFE0103300）和国家自然科学基金（项目编号：U25A20222，52271025，52501042和U22A20174）的资助。
李隆剑|袁振雄|于宏伟|辛同正|解金川|陈泽元|赵凯|康慧军|陈宗宁|郭恩裕|王同民
