多项研究表明，成分异质性（即单相固溶体中合金元素的成分波动）类似于团簇强化，可在不牺牲延展性的情况下提高单晶纳米柱和块体纳米晶金属材料的强度。但成分不均匀性对粗晶金属材料力学性能的影响尚未完全了解。在本项工作中，悉尼大学研究了成分异质性对Cu-9Al（at.%）合金拉伸力学性能的影响，该合金具有用电弧增材制造的粗晶结构和进一步加工后的超细晶结构。结果表明，成分异质性的影响很大程度上取决于晶粒尺寸，在超细晶粒样品中，强度显著提高，而延展性仅略有下降，而晶粒尺寸增大后，成分异质性的强化效果减弱，导致软化并显著损失延展性。这些发现不仅促进了对金属材料成分异质性、晶粒尺寸和力学性能之间关系的理解，而且有利于开发高强度和延展性的新材料。

悉尼大学廖晓舟教授团队将此工作以“Effect of compositional heterogeneity on the mechanical properties of a single-phase Cu-9Al alloy with different grain sizes”为题发表在金属材料旗舰期刊《Acta Materialia》上。

链接：

https://doi.org/10.1016/j.actamat.2023.119531

众所周知，金属材料可以通过晶粒细化、加工硬化、沉淀和固溶强化来强化。有研究表明，成分异质性呈现出与簇强化类似的强化效果，在不牺牲材料延展性的情况下增强强度。悉尼大学对多主元合金或高熵合金中成分异质性的影响进行了重点研究，实验和理论结果表明，成分异质性程度的增加可以克服强度-延展性权衡并提高块体材料的疲劳性能。潜在机制是位错相互作用和缠结，通过成分异质性而增强，而成分异质性对性能的详细作用仍存在不确定性。例如，迄今为止研究的合金系统通常包含至少三种合金元素，导致难以阐述单个合金元素对局部成分异质性程度的影响，并且多主元素合金中缓慢的位错滑移是由大的晶格畸变引起还是由成分异质性引起的尚不清楚。由于大多数机械测试是在纳米晶材料或单晶纳米柱上进行的，很少有实验证明这种强化机制能否应用于粗晶（CG）二元多晶材料。对于纳米晶材料，低加工硬化率和最小位错积累限制了其延展性，相比之下，CG材料的晶粒内部有足够的空间来积累位错。本项工作研究了二元单相面心立方（FCC）Cu-9Al（at.%）固溶体合金，该合金没有任何第二相的沉淀，确保在这项研究中只有一个决定拉伸强度和延展性的变量会被改变。

电弧增材制造（WAAM）用于制造Cu-9Al合金。金属材料的增材制造与传统制造技术相比具有明显的优势，包括设计自由度、较少的工具要求、近净形或净形生产、材料的有效利用、交货时间短以及在许多情况下可大幅节省成本，还可用于制造一些使用传统冶金方法无法生产的合金。通过WAAM生产具有较高沉积速率的大型金属部件，很大程度上促进了对该工艺的理解。使用铜线和铝线作为制造原材料，无需进行预合金化，制造过程没有足够的时间进行均质化，导致制造的零件成分不均匀。在增材制造的金属材料中经常观察到元素偏析/分配，其中合金元素在多孔结构上偏析或分配形成第二相。成分异质性是指单相固溶体合金体系中合金元素的成分波动，与能量上有利的溶质聚类不同，成分异质性通常是非平衡高能状态，可通过热处理消除。本项工作探讨了WAAM制造的Cu-9Al合金的成分不均匀程度及其对力学性能的影响。

图1从打印版本中提取样本的示意图。

图2（a）六种样品的典型工程拉伸应力-应变曲线，（b）NH-R和HR样品的应变硬化率。

图3 （a）典型的EBSD IPF图和（b）NH-AF样品相应的SEM-EDS图，（c）和（d）分别是NH-CR和H-CR样品的EBSD IPF图。

图4（a）NH-R样品中Cu、Al原子分布图，（b）HR样品中Cu、Al原子分布图，（c）是（a）中红方框区域的一维浓度分布，（d）是（b）蓝方框区域的一维浓度分布。

图5 （a）和（b）分别取自NH-R和HR样品的典型微分相位对比图，显示了由局部成分异质性引起的局部电场方向和幅度的变化。

图6（a）NH-R样品的断裂面，（b）HR样品的断裂面。

本项工作研究了成分异质性对不同晶粒尺寸的Cu-9Al二元合金样品力学性能的影响。该合金采用WAAM技术制造，并进行各种后续处理以获得各种微观结构。APT、EDS和STEM-HAADF成像揭示了约5nm大小的成分异质性，可通过长时间均质化热处理来消除。在晶粒尺寸相对较小（约300nm）的样品中，成分波动会影响局部SFE，从而抵抗位错滑移并促进位错积累，导致进一步的应变硬化。在粗晶（约24μm）样品中，硬质区域的存在会导致延展性降低和早期断裂。因此，通过成分异质性整体提高强度和延展性仅适用于较小的晶粒尺寸，例如超细晶粒和纳米晶样品。