導讀：非均質金屬和合金是一類具有優越機械性能的新型材料。本文通過擠壓、軋制和退火設計了由中間粗晶層和外部細晶層組成的夾層結構純鋁層壓板。通過控制后退火制度，獲得了更大程度的微觀結構異質性，如跨異質界面的邊界間距、取向差和織構，從而導致明顯的機械差異。拉伸試驗表明，300 °C/30 min 退火的層壓板在保持較高強度的同時具有相對較高的拉伸延展性，隨著外加應變的增加，界面附近產生了顯著的應變梯度，這被幾何上必要的位錯所適應，從而有助于更高的異質變形誘導（HDI）強化和硬化。

在過去的幾十年里，大量的研究證明，金屬材料的力學性能可以通過微觀結構 的細化來顯著改變。例如，當金屬材料的晶粒尺寸細化到亞微米（0.1-1μm）甚至納米（100nm以下）時，相應的強度比粗晶（CG）材料強幾倍。然而，隨之而來的困境是，高強度通常伴隨著延展性的下降，使得強度與延展性曲線遵循所謂的“香蕉曲線” 。因此，強度-延展性的權衡給科研人員帶來了挑戰。

近年來，材料的配置設計為迎接這一挑戰提供了新的機會。這種設計的基本思想是定制異質微結構。異質結構 (HS) 材料由異質域組成，在結構金屬材料的情況下，其機械性能（例如屈服強度、流動應力、應變硬化能力等）具有顯著差異。具體而言，HS材料的范圍包括具有空間晶粒尺寸梯度的梯度結構，具有嵌入硬質超細晶粒（UFG）基體的軟片狀域的異質層狀結構, 由不同材料或相同材料的不同成分組成的疊層結構 , CG 核被三維 UFG 殼包圍的諧波結構等。大量的實驗表明上述精心設計的 HS 材料可以表現出非凡的強度-延展性組合，即與 UFG 材料一樣堅固，同時與 CG 材料一樣具有延展性。

到目前為止，人們已經意識到塑性變形過程中異質界面處會發生塑性不相容性，這將導致界面區域中GNDs的積累引起應變梯度。此外，GND 的堆積在軟區產生長程背應力，同時在硬區產生前向應力。它們同時產生 HDI 強化和 HDI 應變硬化，從而使HS材料獲得高強度和延展性，這對于具有均勻微觀結構的金屬金屬來說通常是無法達到的。盡管取得了上述進展，但 HS 材料異質邊界處 GNDs 的微觀演化尚未得到很好的研究，并且缺乏對異質界面處的應變分布和應變梯度的目視觀察和定量分析。這些問題對于理解HS 材料的變形機制至關重要。鑒于上述討論，當前研究的目的首先是定制純鋁層壓板中的異質結構，以獲得卓越的強度-延展性協同作用。其次，弄清楚微觀結構的不均勻性如何影響層壓板的機械性能和應變硬化行為。然后，通過原位揭示了異質界面處的 GND 演變和應變梯度對機械性能的影響張力和顯微數字圖像相關 (DIC) 技術。

在這項研究中，重慶大學潘復生院士團隊通過擠壓和軋制制造了粗粒 (CG) 板夾在兩塊超細粒 (UFG) 板之間的純鋁層壓板。隨后，利用不同的退火時間（10-60 分鐘）和溫度（150-400°C）來控制組成層之間的微觀結構差異。通過使用適當的退火方案，層壓板實現了高強度和高延展性之間的良好結合，甚至優于混合規則 (ROM) 預測的結果。目前的結果為材料的配置設計和層壓板的變形行為提供了基本的見解。相關研究成果以題“Design of pure aluminum laminates with heterostructures for extraordinary strength-ductility synergy”發表在國際著名期刊Journal of Materials Science & Technology上。

論文鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1005030221005685#fig0016

在退火之前，冷軋層壓板形成異質結構，其中內層顯示出具有大量 LAGB 的 CG，而外層則由 UFG 組成。機械性能表現出高強度和相對較低的 UE。在不同溫度和時間退火后，連續層間的晶粒尺寸、取向差和織構成分顯著不同。其中，晶粒尺寸的不均勻性和取向差對力學性能有顯著影響，而織構差異可能由于鋁合金滑移系統較多而影響不大。

圖1。夾層結構純鋁層壓板的制備過程示意圖。

圖2。(a) 冷軋后夾層結構層壓板的橫截面SEM形貌，白色虛線表示UFG層和CG層之間的界面。(b) 對應于 (a) 中方形區域的放大圖像。(c) 和 (d) 分別顯示了 UFG 層和 CG 層的 HAADF-STEM 圖像。(c) 和 (d) 中的藍色箭頭表示晶粒內部的糾纏位錯和位錯網絡。(c) 中的紅色箭頭顯示了具有低取向角的位錯壁。SEM 和 STEM 圖像的觀察平面是 RD-ND 平面。

圖3。TKD 圖像顯示了冷軋后夾層結構層壓板的微觀結構。給出了晶界 (GBs) 圖 (a 和 d)、反極圖 (IPF) 圖 (b 和 e) 和微觀結構角度分布圖 (c 和 f)。（a）和（d）中的紅線表示低角度晶界（LAGBs，2°–15°），而黑線表示高角度晶界（HAGBs，>15°）。

圖 4。EBSD圖像顯示了不同退火溫度和時間后的夾層結構層壓板。所有圖像中的白色虛線標記了細晶粒層和粗晶粒層之間的界面。

在低溫（150 °C/60 min 和 200 °C/50 min）和高溫（350 °C/20 min 和 400 °C/10 min）退火方案下，層壓板的力學性能趨于 2極端情況，即高強度但延展性損失嚴重，高延性但強度低。恰恰相反，在中溫（250 °C/40 min 和 300 °C/30 min）退火方案下，力學性能，特別是對于 300 °C/30 min 退火的層壓板，表現出優異的強度-延展性協同作用，這優于 ROM 的預測。隨后的原位實驗和DIC分析表明，區域邊界存在應變梯度，需要GNDs的堆積來適應，應變IAZ的長度約為幾十微米。更高的GND密度和更長的堆積長度產生更高的HDI應力，從而提高HDI強化和硬化效果。

圖 6。（ a ）還繪制并比較了CG和UFG樣品的代表性拉伸工程應力 - 應變曲線和典型拉伸曲線。(b) 相應的拉伸真應力-應變曲線。(c) 現有純鋁層壓板與不同工藝處理的其他純鋁樣品的 YS 和 UE 的比較

圖 7。應變硬化率 (Θ=dσ/dε) 曲線與 CG、UFG 和軋制和退火層壓板的真實應變。(b-c) 中的垂直虛線表示 Θ 上升的階段

圖 8。(a) TEM 形態顯示冷軋夾層板界面附近的微觀結構，拉伸應變為~2%。(b) 顯示了 UFG 層的 TEM 形貌和相應的衍射圖。這些分離的環形點意味著大量的大角度晶界。紅色方框中的放大圖像 (c) 顯示了 CG 和 UFG 層之間的異質界面處的位錯堆積。(a)和(c)中的紅色虛線表示CG層和UFG層之間的界面。觀察平面是RD-ND平面。

圖 9。EBSD圖像顯示了拉伸應變為 0、0.03、0.06 和 0.1 時的微觀結構演變。拉伸方向為RD方向