导读：非均相片层结构材料因其优异的强度和延展性而受到广泛关注。在本研究中，北京科技大学张晓新副教授团队在CuCrZr合金中引入Y元素来调节固溶退火过程中CuZrY相的液相形成温度。在退火前采用冷轧变形使晶粒拉长，在退火过程中促进液相湿化拉长的晶界，最终形成沿晶界分布的层状CuZrY异质组织。异质层状组织、晶界分布特征以及Y对层错能的影响增强了异质变形诱发的加工硬化，从而提高了CuCrZrY合金的强度和塑性。此外，CuCrZrY合金的抗拉强度、均匀伸长率、电导率和导热系数分别达到527 MPa、10.66%、83% IACS和335.5 W/（m·K）。因此，通过成分调节控制液相温度和通过晶粒变形控制液相渗透路径的方法为非均质片层结构材料的设计提供了新的可能性。

强度和延性是评估结构材料的关键性能，它们往往表现出一种权衡关系。在材料设计中实现强度和延性的理想结合是一项具有挑战性的任务。近年来，由具有显著不同力学性能的畴组成的非均相结构（HS）材料的性能远远超过了基于单个区组分性能混合规律的预测。目前已开发出多种HS材料，包括非均相片层结构、层状结构、梯度结构、谐波结构、双相结构材料等。Wang等通过热处理，设计了纯Cu的双峰晶粒尺寸分布，使其屈服强度提高了5-6倍，同时保持了与粗晶Cu相当的高延展性。Wu等人报道了Ti中通过轧制和部分再结晶产生的非均匀片层组织，该组织结合了超细晶材料的高强度和粗晶材料的高延展性。HS材料优异的延性源于异质变形诱导（HDI）强化和应变硬化，这是背应力发展的结果。软畴和硬畴之间的变形不相容导致了显著的应变分配，这是由畴边界上几何上必要的位错（GNDs）的积累所容纳的。根据considre准则，高强度材料需要高应变硬化率来保持延性。

CuCrZr合金是一种高强度、高导电性的合金，应用于电子引线架、高铁接触线、水冷等离子体面组件结构散热材料等，同时要求高强度和高延展性。巧妙的HS设计是提高CuCrZr合金性能的有效途径。Shi等人受竹子和贝壳等生物材料的启发，通过优化热机械加工，设计了一种分层纤维层状结构的CuCrZr合金，分别在655 MPa、6.8%和80% IACS下实现了高屈服强度、高延展性和高导电性的结合。Han等采用粉末冶金方法制备了CuCrZr/Cu层状HS复合材料，具有高强度（366 MPa）、电导率（91.2% IACS）和均匀伸长率（26.5%）的优异组合。Lai等发现，双峰晶粒尺寸分布的CuCrZr合金实现了高强度（350 MPa）和高导电性（87% IACS）的理想匹配。Guo的研究表明，Cu1.0Cr0.3Zr0.05Y合金在晶界处形成由Y2O3、Cu2O、Cu5Y和Cu5Zr相组成的复杂多相共晶组织，是设计HS材料的有效前驱体。

受以往HS材料设计的启发，本研究提出了一种制备HS材料的新方法。通过在CuCrZr合金中引入Y，使富zr共晶相的液相温度降至低于固溶退火温度。然后，在固溶退火之前进行冷轧变形，制备出沿晶界分布的层状HS CuZrY相CuCrZrY合金。试验结果表明，CuCrZrY合金在保持与CuCrZr合金相当的导电性和导热性的同时，显著提高了合金的强度和延展性。通过扫描电镜、透射电镜、高温共聚焦激光扫描显微镜、EBSD分析、纳米压痕实验和加载-卸载-再加载（LUR）实验，探讨了CuCrZrY合金显微组织与强化机理的关系。该研究为今后高性能合金的设计和制备提供了可行的解决方案。

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

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

图1所示。CCZ和CCZ- y样品的制备路线。

表1。CCZ和CCZ- y样品组成（wt.%）。

图2所示。（a, b）铸态CCZ和CCZ- y样品的OM和（c, d） BSE图像：（a, c） CCZ, (b, d) CCZ- y。

表2。图2中标记区域的元素组成（wt.%）。

图3所示。（a, b）时效CCZ和CCZ- y样品标记区域的SEM图像和（c, d）元素分布（EDS测绘和线扫描）：（a, c） CCZ, (b, d) CCZ- y。

图4所示。CCZ-Y样品中富含Zr和y的层状结构的TEM图像：(a)亮场（BF）图像和相应的元素分布，(b)层状相边缘的高倍分析，(c)层状结构的HR-TEM图像和相对快速的傅里叶变换。

图5所示。(a) CCZ和(b) CCZ- y样品的BF形貌；(c)衍射图样示意图；(d)析出物直径分布。

图6所示。CCZ和CCZ- y样品的XRD结果。

图7所示。在高温共聚焦激光扫描显微镜下，将样品从室温加热到950℃并保持在该温度下，观察CCZ合金的演化过程。

图8所示。在高温共聚焦激光扫描显微镜下观察样品从室温加热到950℃并保持在该温度下，CCZ-Y合金的演化过程。

图9所示。(a)实测应力-应变曲线，(b) CCZ和CCZ- y试样应变硬化率。

表3。CCZ和CCZ- y的力学和物理性能。

图10所示。近年来报道的高性能CuCrZr合金的极限抗拉强度、均匀伸长率和电导率

图11所示。CCZ-Y样品沿晶界形成片层结构示意图。

图12所示。（a, b）不同相硬度；（c, d）gds分布和（e, f） 11.0%拉伸应变后的TEM图像：（a, c）对应CCZ样品；（b, d, e, f）对应于CCZ-Y样本。

图13所示。(a) LUR曲线，(b)第4次卸载-再加载曲线，(c) CCZ和CCZ- y试样的反应力示意图，(d) CCZ- y试样的反应力-应变及其硬化速率曲线。

北京科技大学张晓新副教授团队采用冷轧-固溶退火-冷轧-时效工艺制备了一种沿晶界呈片层状非均匀组织的CuCrZrY合金。通过显微组织表征、拉伸性能测试、高温共聚焦激光扫描显微镜原位表征和加载-卸载-再加载实验，探讨了层状非均质组织的形成机理及其对应变硬化和延性的影响。主要结论如下：

(1)晶界片层结构：Y元素的加入导致基体中CuZrY相的形成，降低了液相温度。结合固溶退火前的冷轧变形，固溶退火过程中CuZrY液相湿化了拉长的晶界，淬火后形成沿晶界分布的片层状CuZrY非均质组织。

(2)力学和物理性能：CuCrZrY合金具有非均相组织，在527 MPa、10.66%、83% IACS和335.5 W/（m·K）条件下具有优异的抗拉强度、均匀伸长率、导电性和导热性。

(3)强化机制：变形过程中，gds在边界处堆积，促进背应力硬化。CuCrZrY合金的高应变硬化率是由于其独特的非均相组织和成分：

• CuZrY相的层状结构增加了GNDs积累的边界面积体积比。

• CuZrY相沿晶界的分布限制了基体的变形。

• Y元素的加入增加了层错概率，有利于位错的平面滑移和GNDs的积累。

这些作用共同增强了CuCrZrY合金的背应力硬化，实现了高强度和高延展性。

本文报道了一种通过控制热机械加工过程中液相分布来制备沿晶界分布的非均相合金的新方法。这为异质结构材料的设计和材料性能的增强提供了新的见解。