导读：非均质金属和合金是一类具有优越机械性能的新型材料。本文通过挤压、轧制和退火设计了由中间粗晶层和外部细晶层组成的夹层结构纯铝层压板。通过控制后退火制度，获得了更大程度的微观结构异质性，如跨异质界面的边界间距、取向差和织构，从而导致明显的机械差异。拉伸试验表明，300 °C/30 min 退火的层压板在保持较高强度的同时具有相对较高的拉伸延展性，随着外加应变的增加，界面附近产生了显着的应变梯度，这被几何上必要的位错所适应，从而有助于更高的异质变形诱导（HDI）强化和硬化。

在过去的几十年里，大量的研究证明，金属材料的力学性能可以通过微观结构 的细化来显著改变。例如，当金属材料的晶粒尺寸细化到亚微米（0.1-1μm）甚至纳米（100nm以下）时，相应的强度比粗晶（CG）材料强几倍。然而，随之而来的困境是，高强度通常伴随着延展性的下降，使得强度与延展性曲线遵循所谓的“香蕉曲线” 。因此，强度-延展性的权衡给科研人员带来了挑战。

近年来，材料的配置设计为迎接这一挑战提供了新的机会。这种设计的基本思想是定制异质微结构。异质结构 (HS) 材料由异质域组成，在结构金属材料的情况下，其机械性能（例如屈服强度、流动应力、应变硬化能力等）具有显著差异。具体而言，HS材料的范围包括具有空间晶粒尺寸梯度的梯度结构，具有嵌入硬质超细晶粒（UFG）基体的软片状域的异质层状结构, 由不同材料或相同材料的不同成分组成的叠层结构 , CG 核被三维 UFG 壳包围的谐波结构等。大量的实验表明上述精心设计的 HS 材料可以表现出非凡的强度-延展性组合，即与 UFG 材料一样坚固，同时与 CG 材料一样具有延展性。

到目前为止，人们已经意识到塑性变形过程中异质界面处会发生塑性不相容性，这将导致界面区域中GNDs的积累引起应变梯度。此外，GND 的堆积在软区产生长程背应力，同时在硬区产生前向应力。它们同时产生 HDI 强化和 HDI 应变硬化，从而使HS材料获得高强度和延展性，这对于具有均匀微观结构的金属金属来说通常是无法达到的。尽管取得了上述进展，但 HS 材料异质边界处 GNDs 的微观演化尚未得到很好的研究，并且缺乏对异质界面处的应变分布和应变梯度的目视观察和定量分析。这些问题对于理解HS 材料的变形机制至关重要。鉴于上述讨论，当前研究的目的首先是定制纯铝层压板中的异质结构，以获得卓越的强度-延展性协同作用。其次，弄清楚微观结构的不均匀性如何影响层压板的机械性能和应变硬化行为。然后，通过原位揭示了异质界面处的 GND 演变和应变梯度对机械性能的影响张力和显微数字图像相关 (DIC) 技术。

在这项研究中，重庆大学潘复生院士团队通过挤压和轧制制造了粗粒 (CG) 板夹在两块超细粒 (UFG) 板之间的纯铝层压板。随后，利用不同的退火时间（10-60 分钟）和温度（150-400°C）来控制组成层之间的微观结构差异。通过使用适当的退火方案，层压板实现了高强度和高延展性之间的良好结合，甚至优于混合规则 (ROM) 预测的结果。目前的结果为材料的配置设计和层压板的变形行为提供了基本的见解。相关研究成果以题“Design of pure aluminum laminates with heterostructures for extraordinary strength-ductility synergy”发表在国际著名期刊Journal of Materials Science & Technology上。

论文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1005030221005685#fig0016

在退火之前，冷轧层压板形成异质结构，其中内层显示出具有大量 LAGB 的 CG，而外层则由 UFG 组成。机械性能表现出高强度和相对较低的 UE。在不同温度和时间退火后，连续层间的晶粒尺寸、取向差和织构成分显着不同。其中，晶粒尺寸的不均匀性和取向差对力学性能有显着影响，而织构差异可能由于铝合金滑移系统较多而影响不大。

图1。夹层结构纯铝层压板的制备过程示意图。

图2。(a) 冷轧后夹层结构层压板的横截面SEM形貌，白色虚线表示UFG层和CG层之间的界面。(b) 对应于 (a) 中方形区域的放大图像。(c) 和 (d) 分别显示了 UFG 层和 CG 层的 HAADF-STEM 图像。(c) 和 (d) 中的蓝色箭头表示晶粒内部的纠缠位错和位错网络。(c) 中的红色箭头显示了具有低取向角的位错壁。SEM 和 STEM 图像的观察平面是 RD-ND 平面。

图3。TKD 图像显示了冷轧后夹层结构层压板的微观结构。给出了晶界 (GBs) 图 (a 和 d)、反极图 (IPF) 图 (b 和 e) 和微观结构角度分布图 (c 和 f)。（a）和（d）中的红线表示低角度晶界（LAGBs，2°–15°），而黑线表示高角度晶界（HAGBs，>15°）。

图 4。EBSD图像显示了不同退火温度和时间后的夹层结构层压板。所有图像中的白色虚线标记了细晶粒层和粗晶粒层之间的界面。

在低温（150 °C/60 min 和 200 °C/50 min）和高温（350 °C/20 min 和 400 °C/10 min）退火方案下，层压板的力学性能趋于 2极端情况，即高强度但延展性损失严重，高延性但强度低。恰恰相反，在中温（250 °C/40 min 和 300 °C/30 min）退火方案下，力学性能，特别是对于 300 °C/30 min 退火的层压板，表现出优异的强度-延展性协同作用，这优于 ROM 的预测。随后的原位实验和DIC分析表明，区域边界存在应变梯度，需要GNDs的堆积来适应，应变IAZ的长度约为几十微米。更高的GND密度和更长的堆积长度产生更高的HDI应力，从而提高HDI强化和硬化效果。

图 6。（ a ）还绘制并比较了CG和UFG样品的代表性拉伸工程应力 - 应变曲线和典型拉伸曲线。(b) 相应的拉伸真应力-应变曲线。(c) 现有纯铝层压板与不同工艺处理的其他纯铝样品的 YS 和 UE 的比较

图 7。应变硬化率 (Θ=dσ/dε) 曲线与 CG、UFG 和轧制和退火层压板的真实应变。(b-c) 中的垂直虚线表示 Θ 上升的阶段

图 8。(a) TEM 形态显示冷轧夹层板界面附近的微观结构，拉伸应变为~2%。(b) 显示了 UFG 层的 TEM 形貌和相应的衍射图。这些分离的环形点意味着大量的大角度晶界。红色方框中的放大图像 (c) 显示了 CG 和 UFG 层之间的异质界面处的位错堆积。(a)和(c)中的红色虚线表示CG层和UFG层之间的界面。观察平面是RD-ND平面。

图 9。EBSD图像显示了拉伸应变为 0、0.03、0.06 和 0.1 时的微观结构演变。拉伸方向为RD方向