導(dǎo)讀：非均質(zhì)金屬和合金是一類具有優(yōu)越機械性能的新型材料。本文通過擠壓、軋制和退火設(shè)計了由中間粗晶層和外部細晶層組成的夾層結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)異質(zhì)性，如跨異質(zhì)界面的邊界間距、取向差和織構(gòu)，從而導(dǎo)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(yīng)變的增加，界面附近產(chǎn)生了顯著的應(yīng)變梯度，這被幾何上必要的位錯所適應(yīng)，從而有助于更高的異質(zhì)變形誘導(dǎo)（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(xué)性能可以通過微觀結(jié)構(gòu) 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(yīng)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(quán)衡給科研人員帶來了挑戰(zhàn)。

近年來，材料的配置設(shè)計為迎接這一挑戰(zhàn)提供了新的機會。這種設(shè)計的基本思想是定制異質(zhì)微結(jié)構(gòu)。異質(zhì)結(jié)構(gòu) (HS) 材料由異質(zhì)域組成，在結(jié)構(gòu)金屬材料的情況下，其機械性能（例如屈服強度、流動應(yīng)力、應(yīng)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(jié)構(gòu)，具有嵌入硬質(zhì)超細晶粒（UFG）基體的軟片狀域的異質(zhì)層狀結(jié)構(gòu), 由不同材料或相同材料的不同成分組成的疊層結(jié)構(gòu) , CG 核被三維 UFG 殼包圍的諧波結(jié)構(gòu)等。大量的實驗表明上述精心設(shè)計的 HS 材料可以表現(xiàn)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(jīng)意識到塑性變形過程中異質(zhì)界面處會發(fā)生塑性不相容性，這將導(dǎo)致界面區(qū)域中GNDs的積累引起應(yīng)變梯度。此外，GND 的堆積在軟區(qū)產(chǎn)生長程背應(yīng)力，同時在硬區(qū)產(chǎn)生前向應(yīng)力。它們同時產(chǎn)生 HDI 強化和 HDI 應(yīng)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(jié)構(gòu)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(zhì)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(zhì)界面處的應(yīng)變分布和應(yīng)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(guān)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(zhì)結(jié)構(gòu)，以獲得卓越的強度-延展性協(xié)同作用。其次，弄清楚微觀結(jié)構(gòu)的不均勻性如何影響層壓板的機械性能和應(yīng)變硬化行為。然后，通過原位揭示了異質(zhì)界面處的 GND 演變和應(yīng)變梯度對機械性能的影響張力和顯微數(shù)字圖像相關(guān) (DIC) 技術(shù)。

在這項研究中，重慶大學(xué)潘復(fù)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(jié)構(gòu)差異。通過使用適當?shù)耐嘶鸱桨福瑢訅喊鍖崿F(xiàn)了高強度和高延展性之間的良好結(jié)合，甚至優(yōu)于混合規(guī)則 (ROM) 預(yù)測的結(jié)果。目前的結(jié)果為材料的配置設(shè)計和層壓板的變形行為提供了基本的見解。相關(guān)研究成果以題“Design of pure aluminum laminates with heterostructures for extraordinary strength-ductility synergy”發(fā)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(zhì)結(jié)構(gòu)，其中內(nèi)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(xiàn)出高強度和相對較低的 UE。在不同溫度和時間退火后，連續(xù)層間的晶粒尺寸、取向差和織構(gòu)成分顯著不同。其中，晶粒尺寸的不均勻性和取向差對力學(xué)性能有顯著影響，而織構(gòu)差異可能由于鋁合金滑移系統(tǒng)較多而影響不大。

圖1。夾層結(jié)構(gòu)純鋁層壓板的制備過程示意圖。

圖2。(a) 冷軋后夾層結(jié)構(gòu)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(yīng)于 (a) 中方形區(qū)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(nèi)部的糾纏位錯和位錯網(wǎng)絡(luò)。(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(jié)構(gòu)層壓板的微觀結(jié)構(gòu)。給出了晶界 (GBs) 圖 (a 和 d)、反極圖 (IPF) 圖 (b 和 e) 和微觀結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(xué)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(xué)性能，特別是對于 300 °C/30 min 退火的層壓板，表現(xiàn)出優(yōu)異的強度-延展性協(xié)同作用，這優(yōu)于 ROM 的預(yù)測。隨后的原位實驗和DIC分析表明，區(qū)域邊界存在應(yīng)變梯度，需要GNDs的堆積來適應(yīng)，應(yīng)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(chǎn)生更高的HDI應(yīng)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(yīng)力 - 應(yīng)變曲線和典型拉伸曲線。(b) 相應(yīng)的拉伸真應(yīng)力-應(yīng)變曲線。(c) 現(xiàn)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(yīng)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(yīng)變。(b-c) 中的垂直虛線表示 Θ 上升的階段

圖 8。(a) TEM 形態(tài)顯示冷軋夾層板界面附近的微觀結(jié)構(gòu)，拉伸應(yīng)變?yōu)閪2%。(b) 顯示了 UFG 層的 TEM 形貌和相應(yīng)的衍射圖。這些分離的環(huán)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(zhì)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(yīng)變?yōu)?0、0.03、0.06 和 0.1 時的微觀結(jié)構(gòu)演變。拉伸方向為RD方向