顶刊综述：同步提高强度和其相悖特性的合金设计策略

导读：对于几乎所有材料学家来说，提高金属的强度、延展性、可成形性和导电性都是一个最终目标。然而，延展性、可成形性和导电性通常被称为强度增加的相悖特性。这是因为增加金属强度的机制可能对这几个方面有害或者无关。目前通过微观组织形态控制，已开发出多种用于提高强度和其相悖性能的制备加工方法。本文在此介绍了增强金属并改善其延展性、可成形性和导电性的相悖性能的微观结构。特别强调控制第二相和合金基体之间的界面能以设计合金，第二相和基体之间的界面能减少可以引起超细第二相在基体中的均匀分散，从而同时提高强度、导电性和延展性。

本综述介绍了合金设计和热机械处理的冶金方法，以提高强度和在多组分合金（而非纯金属）中的权衡取舍。（1）在多组分合金系统上进行铸造或时效处理可能会导致形成一个或多个第二相作为强化介质。也可以形成有时包括碳化物或氧化物的化合物的偏析，并且除了强化相以外，这些化合物的细化可以提高合金的加工硬化能力。（2）合金中位错密度的增加可以一起提高合金的强度和延展性，因为位错可以有效地吸收外部应变。（3）由合金基体中的残留溶质形成高度稳定的化合物可能会导致杂质（溶质）溶解度降低，从而提高电导率。即使层状相被认为是不希望的，它们也可以用作新的强化机制，以同时增加延展性和导电性。

另外，本文从实际制造的角度描述了通过控制微观结构来共同改善合金强度及其相悖特性（即延展性，可成形性和导电性）的方法。合金的机械和物理性能受微观结构控制，微观结构受化学成分和制造工艺的控制。微观结构的变化很大程度上取决于相变的驱动力以及基体与第二相之间的界面能。另外，计算设计和经验知识的融合使冶金参数的精确控制成为可能，并有望加速新型高性能合金的开发。相关成果以题“Alloy design strategies to increase strength and its trade-offs together”发表在国际材料顶级综述期刊《Progress in Materials Science》上。

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.pmatsci.2020.100720Get rights and content

本文介绍了在具有不同晶体结构的合金体系（包括Cu（FCC），Al（FCC），Mg（HCP），（HCP）Ti和Ni（HCP）合金）上同时提高强度及其相悖特性（例如延展性，导电性和韧性）的研究工作。从实用的角度还描述了使有害的微观结构和缺陷的不利影响最小化或逆转的制备加工策略。

图1 （a）铜合金的电阻率随铜合金中溶质元素含量的增加而以不同的幅度增加，（b）常规铜合金的强度与导电率之间的关系。

众所周知，金属合金的延展性和导电性与强度具有折衷关系，这意味着提高金属合金强度的方法通常会降低延展性和导电性。材料科学家一直在进行大量的研究和开发活动，以找到同时提高强度、延展性和导电性的方法。一些材料加工方法被认为是成功提高强度及其折衷方法的成功方法，例如晶粒细化。通过晶粒细化开发高性能合金已经在许多著名文献中得到了论证。

图2 （a）HRTEM观察到沉积的纳米晶Cu样品中的几种纳米晶。白色虚线勾勒出四个微晶（A，B，C和D）。沉积样品中的大多数纳米微晶被小角度（1°至10°）GB隔开。（b）在室温下冷轧前后具有不同变形度（ε）的纳米晶Cu样品。（c）ε为4800％的轧制纳米晶Cu样品的HRTEM观察。（d）沉积态纳米晶铜，常规粗晶粒多晶铜和退火态粗晶粒铜的显微硬度变化与冷轧量的函数关系。当粗晶铜试样的ε≈800％时，在边缘处形成裂纹。

图4。亮场TEM图像（a）和电子衍射图（插图）显示了大致等轴的亚微米级晶粒，（b）具有纳米孪晶的沉积态铜样品，平均晶粒度大于100μm的粗晶粒多晶铜试样和平均晶粒度为30 nm的纳米晶铜试样的典型拉伸应力-应变曲线。插图显示了沉积后的纳米孪晶拉伸试样的几何形状。（c）一个测得的屈服强度（σ情节Ý）和极限拉伸强度（σ UTS）对于具有不同孪晶密度的沉积铜样品，其相对于TB的总面积以TEM观测确定的体积单位（S TB）。

基质中均匀分散的非常小的颗粒的存在可以提高金属合金的强度，因为它们会阻碍滑移位错并降低迁移率。位错可以通过剪切或绕过这些颗粒来克服这些障碍。位错路径由颗粒的可剪切（或不可剪切）性以及这些颗粒之间的间距以及颗粒的大小和分布决定。在时效处理中析出的粘结颗粒具有相当大的强化效果，而由于过时效使这种颗粒粗化往往会降低沉淀硬化合金的强度。

沉淀硬化机制的关键方面是沉淀物的尺寸应小且均匀分布，但是，在一般的加工实践中（即塑性加工和热处理），很难控制沉淀物的形状和分布，因为它们仅受相变能量和第二相与基体之间的界面能的支配。这些能量取决于合金的成分，因此可以通过合金设计和热机械处理对其进行控制。

图5 拉伸变形（应变为0.5％）后的高比强度钢（Fe-10％Al-15％Mn-0.8％C-5％Ni）的扫描TEM图像。位错与B2颗粒之间的相互作用表明B2颗粒具有不可剪切的性质。（a）位错堆积在B2粒子与奥氏体γ基体之间的界面处。（b）位错在B2 /γ界面处弯曲

图16 （a）Cu-0.8％Al和（b）Cu-0.4％Al-0.4％Ti合金的TEM显微照片，这些合金在1个大气压下于980°C氧化了2小时。高分辨率TEM图像显示（c）Cu-0.8％Al合金中的板状Al2O3颗粒和（d）截短的八面体形状的Ti替代ϒ-Al2O3。

通过消除材料的缺陷，可以获得金属的最佳机械性能。金属缺陷可能包括位错，剪切带，堆垛层错，偏析，微孔，晶界和次生相，例如析出物和夹杂物。然而，几乎不可能完全消除制造过程中形成的这种缺陷。因此，消除大规模商业生产的金属中的这些缺陷是极其困难、昂贵和费时的。但是，从理论上和实践上理解这些缺陷对金属性能的影响非常重要，因为它们会极大地影响合金的均匀性和稳固性。

金属的强度是衡量因移动位错而引起滑移变形的难易程度的指标，而延展性则取决于应变过程中的均匀变形程度。延展性还受到位错迁移率和缺陷密度的影响，这些缺陷可能导致基体不连续并引起局部应力集中。目前，尚无理论涵盖影响延性的所有因素。但是，本文通过引入新的微观结构而非一般结构来提供成功提高强度和延展性的示例。

除延展性外，强度的权衡特性还包括电导率和热导率，这取决于自由电子在不受干扰的情况下通过金属基体的移动速度。对人类生活至关重要的电气，电子和IT（信息技术）设备需要高强度才能在外力作用下保持形状，并需要高导电率才能有效地传输功率和信号。从经济角度来看，铜和铝合金是最适合此类应用的金属。

图17。各种铜合金的电导率与拉伸强度的关系

影响铜合金电导率的最重要因素是金属基质中溶质元素的密度，提高金属电导率的方法非常有限，因为合金化不可避免地会降低金属的电导率。在不降低金属电导率的情况下，加工硬化，晶粒细化和引入纳米级界面是非常有效的强化方法。对于许多合金而言，共同提高强度和导电率的唯一方法是在纯金属基体上产生新颖的第二相结构。即使弥散体的尺寸和分布不能满足颗粒强化理论，也可以在弥散强化合金中看到该概念。另一方面，对于沉淀硬化合金，在热力学上很难纯化基体，因为要花费很长时间才能达到平衡溶液极限。可以将一种改变基质与颗粒之间的界面能的方法应用于弥散和沉淀强化合金。微量元素的加入会大大降低基体与颗粒之间的界面能，这会减小颗粒尺寸并出乎意料地提高强度。此外，颗粒与基体之间的低界面能可以提高沉淀动力学和合金基体的纯度，从而可以提高导电性。

图24。（a）显示HPR过程的示意图。（b）初始AZ91板的典型FESEM显微照片（Mg–9.20Al–0.65Zn（wt. ％））（在688 K挤压和预热处理后）（c）在ED–TD上拍摄的典型FESEM-OIM图初始AZ91板材的平面。（d）HPRed AZ91板的FESEM显微照片。（e）在HPRed AZ91薄板的RD-TD平面上拍摄的典型FESEM-OIM图。（f，g）TEM显微照片显示HPRed AZ91板中的超细亚颗粒（空心箭头所示）和纳米级Mg17Al12颗粒（实心箭头所示）。

为了提高沉淀硬化合金的强度，需要高体积分数的细小且均匀分布的沉淀才能强化机制。对于在合金基体中通过固相反应形成的沉淀物，优选具有低界面能的亚稳相。在某些合金中的某些条件下，会出现片状不连续沉淀。由于这些不连续的析出物与合金基体具有共格或半共格的关系，因此它们可用于设计纳米复合材料，其中强度和相悖性能可同时增加。目前已经报道了双相Ti合金的层状相的球化，其概念也可应用于具有层状沉淀物的铜合金以增加强度，延展性和导电性。

金属合金的韧性是结构应用的重要问题。它可以用直到金属失效为止吸收的能量来表示，通常与强度和延展性成正比。韧性可以表示金属合金的可加工性（可加工性）。广泛使用的金属合金通常会由于第二相的存在而得到强化，包括析出相和弥散相。与延展性相关的机制与位错行为以外的其他因素错综复杂地交织在一起。因此，很难预测金属合金的延展性以及与延展性密切相关的可加工性和韧性。

图31。（a）将不连续沉淀的Ni2Si金属间化合物塑性拉伸并在室温拉伸后以90％的面积减小。（b）时效后，均匀析出的合金的抗拉强度高于不连续析出的合金的抗拉强度。（c）不连续的蜂窝状沉淀合金的拉伸强度的增加高于应变硬化所预期的。

从实用的角度来看，可加工性和韧性可被认为是承受制造过程中发生的损坏的措施。例如，可以设想将热轧作为在巨大应变下加工的大型试样以经济地生产金属产品。热轧过程中形成的裂纹可能会浪费合金，从而造成巨大的经济损失。这种裂纹可能是由于沿晶界的偏析引起的，需要消除或稳定该偏析。对于铁和铜合金，已经尝试了几种稳定偏析的方法，其中一些方法也适用于其他合金。