導讀：非均相片層結構材料因其優異的強度和延展性而受到廣泛關注。在本研究中，北京科技大學張曉新副教授團隊在CuCrZr合金中引入Y元素來調節固溶退火過程中CuZrY相的液相形成溫度。在退火前采用冷軋變形使晶粒拉長，在退火過程中促進液相濕化拉長的晶界，最終形成沿晶界分布的層狀CuZrY異質組織。異質層狀組織、晶界分布特征以及Y對層錯能的影響增強了異質變形誘發的加工硬化，從而提高了CuCrZrY合金的強度和塑性。此外，CuCrZrY合金的抗拉強度、均勻伸長率、電導率和導熱系數分別達到527 MPa、10.66%、83% IACS和335.5 W/（m·K）。因此，通過成分調節控制液相溫度和通過晶粒變形控制液相滲透路徑的方法為非均質片層結構材料的設計提供了新的可能性。

強度和延性是評估結構材料的關鍵性能，它們往往表現出一種權衡關系。在材料設計中實現強度和延性的理想結合是一項具有挑戰性的任務。近年來，由具有顯著不同力學性能的疇組成的非均相結構（HS）材料的性能遠遠超過了基于單個區組分性能混合規律的預測。目前已開發出多種HS材料，包括非均相片層結構、層狀結構、梯度結構、諧波結構、雙相結構材料等。Wang等通過熱處理，設計了純Cu的雙峰晶粒尺寸分布，使其屈服強度提高了5-6倍，同時保持了與粗晶Cu相當的高延展性。Wu等人報道了Ti中通過軋制和部分再結晶產生的非均勻片層組織，該組織結合了超細晶材料的高強度和粗晶材料的高延展性。HS材料優異的延性源于異質變形誘導（HDI）強化和應變硬化，這是背應力發展的結果。軟疇和硬疇之間的變形不相容導致了顯著的應變分配，這是由疇邊界上幾何上必要的位錯（GNDs）的積累所容納的。根據considre準則，高強度材料需要高應變硬化率來保持延性。

CuCrZr合金是一種高強度、高導電性的合金，應用于電子引線架、高鐵接觸線、水冷等離子體面組件結構散熱材料等，同時要求高強度和高延展性。巧妙的HS設計是提高CuCrZr合金性能的有效途徑。Shi等人受竹子和貝殼等生物材料的啟發，通過優化熱機械加工，設計了一種分層纖維層狀結構的CuCrZr合金，分別在655 MPa、6.8%和80% IACS下實現了高屈服強度、高延展性和高導電性的結合。Han等采用粉末冶金方法制備了CuCrZr/Cu層狀HS復合材料，具有高強度（366 MPa）、電導率（91.2% IACS）和均勻伸長率（26.5%）的優異組合。Lai等發現，雙峰晶粒尺寸分布的CuCrZr合金實現了高強度（350 MPa）和高導電性（87% IACS）的理想匹配。Guo的研究表明，Cu1.0Cr0.3Zr0.05Y合金在晶界處形成由Y2O3、Cu2O、Cu5Y和Cu5Zr相組成的復雜多相共晶組織，是設計HS材料的有效前驅體。

受以往HS材料設計的啟發，本研究提出了一種制備HS材料的新方法。通過在CuCrZr合金中引入Y，使富zr共晶相的液相溫度降至低于固溶退火溫度。然后，在固溶退火之前進行冷軋變形，制備出沿晶界分布的層狀HS CuZrY相CuCrZrY合金。試驗結果表明，CuCrZrY合金在保持與CuCrZr合金相當的導電性和導熱性的同時，顯著提高了合金的強度和延展性。通過掃描電鏡、透射電鏡、高溫共聚焦激光掃描顯微鏡、EBSD分析、納米壓痕實驗和加載-卸載-再加載（LUR）實驗，探討了CuCrZrY合金顯微組織與強化機理的關系。該研究為今后高性能合金的設計和制備提供了可行的解決方案。

相關研究成果以“Enhancing strength and ductility of CuCrZr high-conductivity alloy via lamellar heterostructures on grain boundaries”發表在Journal of Materials Science & Technology上。

鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S1005030224009800

圖1所示。CCZ和CCZ- y樣品的制備路線。

表1。CCZ和CCZ- y樣品組成（wt.%）。

圖2所示。（a, b）鑄態CCZ和CCZ- y樣品的OM和（c, d） BSE圖像：（a, c） CCZ, (b, d) CCZ- y。

表2。圖2中標記區域的元素組成（wt.%）。

圖3所示。（a, b）時效CCZ和CCZ- y樣品標記區域的SEM圖像和（c, d）元素分布（EDS測繪和線掃描）：（a, c） CCZ, (b, d) CCZ- y。

圖4所示。CCZ-Y樣品中富含Zr和y的層狀結構的TEM圖像：(a)亮場（BF）圖像和相應的元素分布，(b)層狀相邊緣的高倍分析，(c)層狀結構的HR-TEM圖像和相對快速的傅里葉變換。

圖5所示。(a) CCZ和(b) CCZ- y樣品的BF形貌；(c)衍射圖樣示意圖；(d)析出物直徑分布。

圖6所示。CCZ和CCZ- y樣品的XRD結果。

圖7所示。在高溫共聚焦激光掃描顯微鏡下，將樣品從室溫加熱到950℃并保持在該溫度下，觀察CCZ合金的演化過程。

圖8所示。在高溫共聚焦激光掃描顯微鏡下觀察樣品從室溫加熱到950℃并保持在該溫度下，CCZ-Y合金的演化過程。

圖9所示。(a)實測應力-應變曲線，(b) CCZ和CCZ- y試樣應變硬化率。

表3。CCZ和CCZ- y的力學和物理性能。

圖10所示。近年來報道的高性能CuCrZr合金的極限抗拉強度、均勻伸長率和電導率

圖11所示。CCZ-Y樣品沿晶界形成片層結構示意圖。

圖12所示。（a, b）不同相硬度；（c, d）gds分布和（e, f） 11.0%拉伸應變后的TEM圖像：（a, c）對應CCZ樣品；（b, d, e, f）對應于CCZ-Y樣本。

圖13所示。(a) LUR曲線，(b)第4次卸載-再加載曲線，(c) CCZ和CCZ- y試樣的反應力示意圖，(d) CCZ- y試樣的反應力-應變及其硬化速率曲線。

北京科技大學張曉新副教授團隊采用冷軋-固溶退火-冷軋-時效工藝制備了一種沿晶界呈片層狀非均勻組織的CuCrZrY合金。通過顯微組織表征、拉伸性能測試、高溫共聚焦激光掃描顯微鏡原位表征和加載-卸載-再加載實驗，探討了層狀非均質組織的形成機理及其對應變硬化和延性的影響。主要結論如下：

(1)晶界片層結構：Y元素的加入導致基體中CuZrY相的形成，降低了液相溫度。結合固溶退火前的冷軋變形，固溶退火過程中CuZrY液相濕化了拉長的晶界，淬火后形成沿晶界分布的片層狀CuZrY非均質組織。

(2)力學和物理性能：CuCrZrY合金具有非均相組織，在527 MPa、10.66%、83% IACS和335.5 W/（m·K）條件下具有優異的抗拉強度、均勻伸長率、導電性和導熱性。

(3)強化機制：變形過程中，gds在邊界處堆積，促進背應力硬化。CuCrZrY合金的高應變硬化率是由于其獨特的非均相組織和成分：

• CuZrY相的層狀結構增加了GNDs積累的邊界面積體積比。

• CuZrY相沿晶界的分布限制了基體的變形。

• Y元素的加入增加了層錯概率，有利于位錯的平面滑移和GNDs的積累。

這些作用共同增強了CuCrZrY合金的背應力硬化，實現了高強度和高延展性。

本文報道了一種通過控制熱機械加工過程中液相分布來制備沿晶界分布的非均相合金的新方法。這為異質結構材料的設計和材料性能的增強提供了新的見解。