多項研究表明，成分異質性（即單相固溶體中合金元素的成分波動）類似于團簇強化，可在不犧牲延展性的情況下提高單晶納米柱和塊體納米晶金屬材料的強度。但成分不均勻性對粗晶金屬材料力學性能的影響尚未完全了解。在本項工作中，悉尼大學研究了成分異質性對Cu-9Al（at.%）合金拉伸力學性能的影響，該合金具有用電弧增材制造的粗晶結構和進一步加工后的超細晶結構。結果表明，成分異質性的影響很大程度上取決于晶粒尺寸，在超細晶粒樣品中，強度顯著提高，而延展性僅略有下降，而晶粒尺寸增大后，成分異質性的強化效果減弱，導致軟化并顯著損失延展性。這些發現不僅促進了對金屬材料成分異質性、晶粒尺寸和力學性能之間關系的理解，而且有利于開發高強度和延展性的新材料。

悉尼大學廖曉舟教授團隊將此工作以“Effect of compositional heterogeneity on the mechanical properties of a single-phase Cu-9Al alloy with different grain sizes”為題發表在金屬材料旗艦期刊《Acta Materialia》上。

鏈接： https://doi.org/10.1016/j.actamat.2023.119531

眾所周知，金屬材料可以通過晶粒細化、加工硬化、沉淀和固溶強化來強化。有研究表明，成分異質性呈現出與簇強化類似的強化效果，在不犧牲材料延展性的情況下增強強度。悉尼大學對多主元合金或高熵合金中成分異質性的影響進行了重點研究，實驗和理論結果表明，成分異質性程度的增加可以克服強度-延展性權衡并提高塊體材料的疲勞性能。潛在機制是位錯相互作用和纏結，通過成分異質性而增強，而成分異質性對性能的詳細作用仍存在不確定性。例如，迄今為止研究的合金系統通常包含至少三種合金元素，導致難以闡述單個合金元素對局部成分異質性程度的影響，并且多主元素合金中緩慢的位錯滑移是由大的晶格畸變引起還是由成分異質性引起的尚不清楚。由于大多數機械測試是在納米晶材料或單晶納米柱上進行的，很少有實驗證明這種強化機制能否應用于粗晶（CG）二元多晶材料。對于納米晶材料，低加工硬化率和最小位錯積累限制了其延展性，相比之下，CG材料的晶粒內部有足夠的空間來積累位錯。本項工作研究了二元單相面心立方（FCC）Cu-9Al（at.%）固溶體合金，該合金沒有任何第二相的沉淀，確保在這項研究中只有一個決定拉伸強度和延展性的變量會被改變。

電弧增材制造（WAAM）用于制造Cu-9Al合金。金屬材料的增材制造與傳統制造技術相比具有明顯的優勢，包括設計自由度、較少的工具要求、近凈形或凈形生產、材料的有效利用、交貨時間短以及在許多情況下可大幅節省成本，還可用于制造一些使用傳統冶金方法無法生產的合金。通過WAAM生產具有較高沉積速率的大型金屬部件，很大程度上促進了對該工藝的理解。使用銅線和鋁線作為制造原材料，無需進行預合金化，制造過程沒有足夠的時間進行均質化，導致制造的零件成分不均勻。在增材制造的金屬材料中經常觀察到元素偏析/分配，其中合金元素在多孔結構上偏析或分配形成第二相。成分異質性是指單相固溶體合金體系中合金元素的成分波動，與能量上有利的溶質聚類不同，成分異質性通常是非平衡高能狀態，可通過熱處理消除。本項工作探討了WAAM制造的Cu-9Al合金的成分不均勻程度及其對力學性能的影響。

圖1從打印版本中提取樣本的示意圖。

圖2（a）六種樣品的典型工程拉伸應力-應變曲線，（b）NH-R和HR樣品的應變硬化率。

圖3 （a）典型的EBSD IPF圖和（b）NH-AF樣品相應的SEM-EDS圖，（c）和（d）分別是NH-CR和H-CR樣品的EBSD IPF圖。

圖4（a）NH-R樣品中Cu、Al原子分布圖，（b）HR樣品中Cu、Al原子分布圖，（c）是（a）中紅方框區域的一維濃度分布，（d）是（b）藍方框區域的一維濃度分布。

圖5 （a）和（b）分別取自NH-R和HR樣品的典型微分相位對比圖，顯示了由局部成分異質性引起的局部電場方向和幅度的變化。

圖6（a）NH-R樣品的斷裂面，（b）HR樣品的斷裂面。

本項工作研究了成分異質性對不同晶粒尺寸的Cu-9Al二元合金樣品力學性能的影響。該合金采用WAAM技術制造，并進行各種后續處理以獲得各種微觀結構。APT、EDS和STEM-HAADF成像揭示了約5nm大小的成分異質性，可通過長時間均質化熱處理來消除。在晶粒尺寸相對較小（約300nm）的樣品中，成分波動會影響局部SFE，從而抵抗位錯滑移并促進位錯積累，導致進一步的應變硬化。在粗晶（約24μm）樣品中，硬質區域的存在會導致延展性降低和早期斷裂。因此，通過成分異質性整體提高強度和延展性僅適用于較小的晶粒尺寸，例如超細晶粒和納米晶樣品。