材料異質(zhì)結(jié)構(gòu)（HS）主要是材料不同區(qū)域具有明顯強(qiáng)度差異，由于其在強(qiáng)度和延展性方面的出色結(jié)合，引起了材料界的廣泛關(guān)注。一般來說具備包括梯度結(jié)構(gòu)，諧波結(jié)構(gòu)，異構(gòu)層狀結(jié)構(gòu)，雙峰結(jié)構(gòu)，雙相結(jié)構(gòu)和層壓結(jié)構(gòu)等特殊結(jié)構(gòu)的材料均被認(rèn)為是異質(zhì)結(jié)構(gòu)材料，其中異構(gòu)層狀結(jié)構(gòu)（HLS）被認(rèn)為是近乎理想的結(jié)構(gòu)，具有出色的機(jī)械性能，在工程應(yīng)用中極具潛力，為了進(jìn)一步研究HLS材料的異質(zhì)變形引起的強(qiáng)化機(jī)理并優(yōu)化其機(jī)械性能，從這三個(gè)方面（界面密度，強(qiáng)度差異以及幾何形狀）對(duì)HLS進(jìn)行優(yōu)化。但是HLS的形成對(duì)退火之前的塑性變形和退火條件敏感，并且在退火過程中三個(gè)參數(shù)會(huì)同時(shí)發(fā)生變化，因此很難獨(dú)立地調(diào)整這些異質(zhì)結(jié)構(gòu)參數(shù)，需要探索新方法來調(diào)整異質(zhì)結(jié)構(gòu)。
粉末冶金作為一種成熟的材料加工技術(shù)，已成功地制造出多種金屬材料，包括合金，金屬玻璃和納米晶體金屬材料。從邏輯上講，這應(yīng)該是制造HLS材料的極具研究?jī)r(jià)值的工藝手段。2020年，等提出使用粉末冶金和熱機(jī)械工藝生產(chǎn)HLS材料的新工藝，生產(chǎn)的HLS復(fù)合材料具有優(yōu)異的強(qiáng)度和延展性。相關(guān)論文相關(guān)論文以題為“Tuning heterostructures with powder metallurgy for high synergistic strengthening and hetero-deformation induced hardening”發(fā)表在Materials Science & Engineering A上。
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文中具有x％銅體積分?jǐn)?shù)的HLS Fe-Cu樣品被標(biāo)記為Fe-xCu，包括Fe-15Cu，F(xiàn)e-30Cu和Fe-40Cu。圖1a–c顯示了Fe-15Cu，F(xiàn)e-30Cu和Fe-40Cu樣品的橫截面光學(xué)顯微照片。拉長(zhǎng)的銅疇沿軋制方向嵌入鐵基質(zhì)中。隨著添加更多的銅粉，F(xiàn)e-Cu疇界面的密度變大。維氏硬度結(jié)果顯示，在所有復(fù)合材料中，鐵域材料和銅域材料的硬度幾乎保持不變，表明強(qiáng)度差保持不變。
圖1 （a-c）分別為Fe-15Cu、Fe-30Cu和Fe-40Cu樣品的光學(xué)顯微照片；（d）維氏顯微硬度
圖2a–c顯示了HLS Fe-Cu樣品的微觀結(jié)構(gòu)。在所有的Fe-Cu樣品中，鐵疇是粗晶粒的，而銅疇是細(xì)晶粒的，表明鐵和銅疇的機(jī)械性能不會(huì)隨著銅含量的增加而變化。在放大的EBSD圖像表明燒結(jié)效果良好，在銅晶界處的沉淀鐵相阻礙了銅晶粒長(zhǎng)大，經(jīng)過退火晶粒尺寸保持在1μm左右。
圖2 （a）Fe-15Cu、（b）Fe-30Cu和（c）Fe-40Cu的ICCM圖像；（d）Fe-40Cu樣品EBSD圖像
圖3a顯示了純鐵樣品和HLS Fe-Cu樣品的工程應(yīng)變-應(yīng)力曲線。純鐵樣品均勻伸長(zhǎng)率約為1.4％，在580MPa的屈服強(qiáng)度后很快開始頸縮。根據(jù)維氏硬度結(jié)果，銅在鐵疇中的析出形成第二相后，強(qiáng)度貢獻(xiàn)量大約為60MPa，對(duì)延展性產(chǎn)生負(fù)面影響。因此，HLS Fe-Cu樣品的屈服強(qiáng)度640 MPa，均勻伸長(zhǎng)率約為1.4％。強(qiáng)度和延展性的出色結(jié)合歸因于協(xié)同加強(qiáng)和HDI硬化。在HLS Fe-Cu樣品變形期間，軟銅疇首先開始屈服，而硬鐵疇保持彈性。這是一種異質(zhì)變形方案，其中銅疇比鐵疇承受更大的應(yīng)變。由于在鐵和銅疇之間需要連續(xù)應(yīng)變，因此在Fe-Cu疇界面附近的軟銅疇中會(huì)產(chǎn)生塑性應(yīng)變梯度。塑性應(yīng)變梯度會(huì)在軟銅疇中產(chǎn)生反應(yīng)力，使銅疇顯得更強(qiáng)；在硬鐵疇中產(chǎn)生正向應(yīng)力，從而使鐵疇顯得較弱。背向應(yīng)力和正向應(yīng)力之間的相互作用不是零和博弈，它會(huì)產(chǎn)生HDI應(yīng)力，從而增加HLS Fe-Cu復(fù)合材料的整體屈服強(qiáng)度。在整個(gè)HLS樣品屈服之后，軟銅域的應(yīng)變要比硬鐵域高得多，產(chǎn)生近鐵銅域接口塑性應(yīng)變梯度。塑性應(yīng)變梯度隨著應(yīng)變分配的增加而變大，從而產(chǎn)生由異質(zhì)變形引起的額外的加工硬化。
圖3 （a）純鐵和（b）Fe-15Cu、Fe-30Cu和Fe-40Cu HLS試樣的工程應(yīng)變-應(yīng)力曲線和應(yīng)變硬化曲線；（c）Fe-Cu-HSL試樣與均勻IF鋼試樣的強(qiáng)韌對(duì)比
LUR測(cè)試以進(jìn)一步探究協(xié)同增強(qiáng)和HDI硬化對(duì)HLS Fe-Cu復(fù)合材料機(jī)械性能的影響。HDI應(yīng)力和HDI硬化對(duì)HLS Fe-Cu復(fù)合材料力學(xué)性能的貢獻(xiàn)隨著銅體積分?jǐn)?shù)的增加而增強(qiáng)。原因是添加更多的銅會(huì)增加Fe-Cu域界面的密度，隨著Fe-Cu疇界面密度的變化，鐵疇和銅疇之間的強(qiáng)度差幾乎保持不變。因此，它不會(huì)影響本研究中的協(xié)同強(qiáng)化和HDI強(qiáng)化。
圖4 （a）純鐵和Fe-Cu-HLS樣品的LUR應(yīng)變-應(yīng)力曲線；（b）磁滯回線的比較；（c）HDI應(yīng)力的比較；（d）HDI硬化速率
總之，通過粉末冶金和隨后的熱機(jī)械處理，生產(chǎn)出非均質(zhì)的片狀結(jié)構(gòu)的Fe-Cu復(fù)合材料。異質(zhì)結(jié)構(gòu)獲得了高強(qiáng)度和高延展性的優(yōu)異機(jī)械性能。結(jié)果表明，額外的強(qiáng)化和額外的應(yīng)變硬化歸因于HDI的強(qiáng)化和硬化。隨著Fe-Cu疇界面密度的增加，它們的作用也越來越強(qiáng)。因此粉末冶金生產(chǎn)HLS材料是一種極具前景的工藝方法。（文：衣兮）
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