浙大《Scripta Mater》：刷新传统认知！关于纳米析出相与位错作用

编辑推荐：本文直接观察了纳米析出相与位错的相互作用，发现纳米析出相不仅阻碍位错运动，还促进位错数量倍增，这刷新了传统认知，即纳米析出相仅阻碍位错滑移并导致塑性降低。通过纳米析出促进位错钉扎和位错数量倍增策略，同时提高了Cu合金强度、塑性和电导率，抗拉强度高达590MPa，均匀伸长率6%，电导率69%IACS。

强度和塑性是大多数金属材料的关键性能，但是这两种属性通常具有矛盾的制约关系。对于铜合金，除了强度和可塑性外，对导电性的要求也很高。不幸的是，在铜合金的强度和电导率之间也存在一定取舍关系。析出强化被认为是在不显着降低导电性的情况下强化Cu合金的最有效方法，但是晶格失配通常会导致析出相附近应变局部化，这是析出强化合金中强度-延展性冲突的根源。因此，解决高级铜合金开发过程中强度/塑性和强度/导电性之间的矛盾是具有挑战性和重大实际意义的。

最近，Peng等通过分子动力学(MD)模拟发现，纳米析出相在高应力下提供了一种独特的位错源。纳米析出相的弥散分布同时用作位错源和障碍物，从而导致了可持续的自硬化变形机制，提高了延展性和强度，但是他们只考虑了纳米析出相附近的位错活性，并没有观察到位错和析出相之间的相互作用。因此，如何同时提升Cu合金强度、塑性和电导率仍是一个难题。

浙江大学的研究人员提出了一种纳米析出促进位错钉扎和位错数量倍增策略，通过固溶、轧制和时效将致密的位错和纳米析出相引入Cu-Fe-Ti合金中，在铜合金中直接观察到纳米析出相与位错的相互作用，最终得到高达590MPa的抗拉强度，6%的均匀伸长率以及69%IACS的电导率。相关论文以题为“Nanoprecipitates induced dislocation pinning and multiplication strategy for designing high strength, plasticity and conductivity Cu alloys”发表在Scripta Materialia。

论文链接：

https://doi.org/10.1016/j.scriptamat.2021.113741

本研究使用成分为Cu-0.74Fe-0.33Ti(wt%)的合金，在氩气保护下使用中频感应炉熔炼。铸锭分三组进行处理，第一组在1050℃下固溶8h(S样品)；第二组在固溶处理后冷轧至厚度减少90%(SR样品)；第三组进行固溶轧制后，在500℃下进行不同的时效处理(SRA样品)。

研究发现针对SRA样品，合金的硬度在前期随时效时间的增加而增加，在2h达到196HV的峰值，时效4h内电导率急剧增加。SR样品的抗拉强度(426MPa)大大高于S样品(296MPa)，而均匀伸长率恰恰相反，轧制后SR样品的均匀伸长率降低至1%(S样品28%)，相较而言，SRA-2h样品具有更高的电导率、强度和均匀伸长率。

图1 (a)硬度和电导率随时效时间的变化；(b)S、SR和SRA-2h的工程应力应变曲线

图2 SR和SRA-2h样品的TEM图像以及SRA-2h的尺寸分布、EDS结果

观察微观结构发现，SR样品中存在高密度位错，在SR-2h中可以观察到致密的位错和纳米析出相。经EDS分析表明纳米析出相为FeTi化合物。经计算得出S、SR和SRA样品的位错密度分别为2.16×10¹²、3.67×10¹⁵、2.49×10¹⁵/m²。时效后，位错密度略有下降，SRA-2h样品出现微不足道的再结晶，位错密度和晶粒尺寸对合金的可塑性影响很小。通过视频直接观察纳米析出相与位错的相互作用发现，纳米析出相不仅阻碍位错运动，还促进位错数量倍增，FeTi相的析出提高了Cu基体纯度改善了电导率，这刷新了传统认知，即纳米析出相仅阻碍位错滑移并导致塑性降低。

图3 SRA-2h中析出相和位错的相互作用

图4 位错与半径约3.5nm的纳米析出相的相互作用

综上所述，本文制备出含有致密纳米析出相的Cu-0.74Fe-0.33Ti合金，具有590MPa的抗拉强度，6%的均匀伸长率和69%IACS电导率，优异的性能组合证明了纳米析出相对位错的钉扎作用和数量倍增在设计高强度、高塑性和高电导率铜合金方面的有效性。（文：破风）