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《MSEA》粉末冶金工艺，制备高强高塑性异质结构
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摘要：导读:本研究以粉末冶金制备Fe-Cu复合材料，微观结构为非均质片层状，异质结构可获得高强度和高延展性的优异性能。 材料异质结构(HS)主要是材料不同区域具有明显强度差异，由于其
导读:本研究以粉末冶金制备Fe-Cu复合材料，微观结构为非均质片层状，异质结构可获得高强度和高延展性的优异性能。
材料异质结构(HS)主要是材料不同区域具有明显强度差异，由于其在强度和延展性方面的出色结合，引起了材料界的广泛关注。一般来说具备包括梯度结构，谐波结构，异构层状结构，双峰结构，双相结构和层压结构等特殊结构的材料均被认为是异质结构材料，其中异构层状结构(HLS)被认为是近乎理想的结构，具有出色的机械性能，在工程应用中极具潜力，为了进一步研究HLS材料的异质变形引起的强化机理并优化其机械性能，从这三个方面(界面密度，强度差异以及几何形状)对HLS进行优化。但是HLS的形成对退火之前的塑性变形和退火条件敏感，并且在退火过程中三个参数会同时发生变化，因此很难独立地调整这些异质结构参数，需要探索新方法来调整异质结构。
粉末冶金作为一种成熟的材料加工技术，已成功地制造出多种金属材料，包括合金，金属玻璃和纳米晶体金属材料。从逻辑上讲，这应该是制造HLS材料的极具研究价值的工艺手段。2020年，Z.K.Li等提出使用粉末冶金和热机械工艺生产HLS材料的新工艺，生产的HLS复合材料具有优异的强度和延展性。相关论文相关论文以题为"Tuning heterostructures with powder metallurgy for high synergistic strengthening and hetero-deformation induced hardening"发表在Materials Science & Engineering A上。
文中具有x%铜体积分数的HLS Fe-Cu样品被标记为Fe-xCu，包括Fe-15Cu，Fe-30Cu和Fe-40Cu。图1a–c显示了Fe-15Cu，Fe-30Cu和Fe-40Cu样品的横截面光学显微照片。拉长的铜畴沿轧制方向嵌入铁基质中。随着添加更多的铜粉，Fe-Cu畴界面的密度变大。维氏硬度结果显示，在所有复合材料中，铁域材料和铜域材料的硬度几乎保持不变，表明强度差保持不变。
图1 (a-c)分别为Fe-15Cu、Fe-30Cu和Fe-40Cu样品的光学显微照片;(d)维氏显微硬度
图2a–c显示了HLS Fe-Cu样品的微观结构。在所有的Fe-Cu样品中，铁畴是粗晶粒的，而铜畴是细晶粒的，表明铁和铜畴的机械性能不会随着铜含量的增加而变化。在放大的EBSD图像表明烧结效果良好，在铜晶界处的沉淀铁相阻碍了铜晶粒长大，经过退火晶粒尺寸保持在1μm左右。
图2 (a)Fe-15Cu、(b)Fe-30Cu和(c)Fe-40Cu的ICCM图像;(d)Fe-40Cu样品EBSD图像
图3a显示了纯铁样品和HLS Fe-Cu样品的工程应变-应力曲线。纯铁样品均匀伸长率约为1.4%，在580MPa的屈服强度后很快开始颈缩。根据维氏硬度结果，铜在铁畴中的析出形成第二相后，强度贡献量大约为60MPa，对延展性产生负面影响。因此，HLS Fe-Cu样品的屈服强度640 MPa，均匀伸长率约为1.4%。强度和延展性的出色结合归因于协同加强和HDI硬化。在HLS Fe-Cu样品变形期间，软铜畴首先开始屈服，而硬铁畴保持弹性。这是一种异质变形方案，其中铜畴比铁畴承受更大的应变。由于在铁和铜畴之间需要连续应变，因此在Fe-Cu畴界面附近的软铜畴中会产生塑性应变梯度。塑性应变梯度会在软铜畴中产生反应力，使铜畴显得更强;在硬铁畴中产生正向应力，从而使铁畴显得较弱。背向应力和正向应力之间的相互作用不是零和博弈，它会产生HDI应力，从而增加HLS Fe-Cu复合材料的整体屈服强度。在整个HLS样品屈服之后，软铜域的应变要比硬铁域高得多，产生近铁铜域接口塑性应变梯度。塑性应变梯度随着应变分配的增加而变大，从而产生由异质变形引起的额外的加工硬化。
图3 (a)纯铁和(b)Fe-15Cu、Fe-30Cu和Fe-40Cu HLS试样的工程应变-应力曲线和应变硬化曲线;(c)Fe-Cu-HSL试样与均匀IF钢试样的强韧对比
LUR测试以进一步探究协同增强和HDI硬化对HLS Fe-Cu复合材料机械性能的影响。HDI应力和HDI硬化对HLS Fe-Cu复合材料力学性能的贡献随着铜体积分数的增加而增强。原因是添加更多的铜会增加Fe-Cu域界面的密度，随着Fe-Cu畴界面密度的变化，铁畴和铜畴之间的强度差几乎保持不变。因此，它不会影响本研究中的协同强化和HDI强化。
