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微米晶与超细晶复合增塑：机制、影响因素及应用探索

一、引言

1.1研究背景与意义

在材料科学的持续发展进程中，纳米晶/超细晶材料凭借其细小的晶粒尺寸，展现出了相较于常规粗晶材料极为优异的机械强度，通常可提升5-10倍。这一显著的强度优势，使得纳米晶/超细晶材料在众多领域展现出巨大的应用潜力，如航空航天领域，对材料的高强度和轻量化有着严格要求，纳米晶/超细晶材料有望满足这一需求，为飞行器的性能提升提供可能；在电子设备制造领域，其也可用于制造更小型化、高性能的零部件。然而，美中不足的是，纳米晶/超细晶材料的塑性，尤其是均匀拉伸塑性极低，与粗晶态材料相比存在明显差距。这一缺陷极大地限制了它们在实际工程领域中的广泛应用，许多需要材料具备良好塑性以承受复杂变形的场景，纳米晶/超细晶材料都难以胜任。

深入探究造成纳米晶/超细晶材料拉伸塑性低的根源，主要在于其位错变形机制受到抑制。在材料变形过程中，位错的运动和增殖是实现塑性变形的关键因素。而在纳米晶/超细晶材料中，由于晶粒尺寸极小，晶界所占比例大幅增加，晶界对位错的阻碍作用增强，导致位错难以在晶粒内部自由运动和增殖，进而使得加工硬化能力降低。当材料受到拉伸变形时，无法通过有效的加工硬化来抑制塑性失稳，塑性失稳一旦发生，材料就会迅速出现颈缩现象，最终导致断裂，严重影响了材料的使用性能。

为了突破纳米晶/超细晶材料低塑性这一瓶颈，科研人员开展了大量的研究工作，并提出了多种解决方案。其中，在完全纳米晶或超细晶基体中引入一定体积分数的微米晶，从而获得晶粒尺寸双峰分布（Bimodal）组织的方法，被证明是一种行之有效的途径。微米晶具有较高的加工硬化能力，当材料发生变形时，微米晶能够通过位错的运动和增殖产生加工硬化，有效地抑制基体的塑性失稳。这样一来，在不显著降低材料强度的前提下，能够显著改善材料的拉伸塑性。例如，通过这种方法制备的纳米结构纯铜与铝镁合金，成功实现了高强度与高塑性的良好结合。特别是具有晶粒尺寸双峰分布组织的纯铜，其强度接近于完全纳米晶纯铜（达到430MPa），同时拉伸塑性接近粗晶铜（可达60％），展现出了优异的综合性能。

尽管微米晶/超细晶复合增塑方法取得了一些成功的案例，但目前该方法仍面临诸多亟待解决的关键问题。一方面，微米晶的获得主要依赖部分再结晶方法，这种方法对退火工艺的要求极为苛刻，退火温度、时间等参数的微小变化都可能导致微米晶的尺寸、形态和分布发生显著改变，从而使得组织的可重复性较低，难以实现大规模的工业化生产和应用。另一方面，以往的研究主要集中在微米晶区的体积分数对双峰分布组织力学行为的影响，然而，除了体积分数之外，是否还存在其他关键参数对力学行为，尤其是对决定均匀拉伸塑性起着决定性作用，目前尚不清楚。此外，在实际研究中还发现了一些反例，如Chokshi等人在具有双峰分布组织的电沉积纳米晶镍中，观察到强度与拉伸塑性随着粗晶体积分数的增加而持续减小的现象。同时，常规材料的混晶组织往往会导致性能恶化，而双峰分布组织作为一种典型的混晶组织却能够改善塑性、优化性能，其中的内在机制至今仍不明确。

鉴于以上背景，深入开展微米晶/超细晶复合增塑及其机制的研究具有重要的理论意义和实际应用价值。从理论层面来看，研究影响双峰分布组织塑性的关键材料参数，建立关键材料参数与双相复合组织塑性提高效果之间的关系，有助于深入揭示复合增塑的内在机制，丰富和完善材料的变形与强化理论。从实际应用角度出发，通过解决当前微米晶/超细晶复合增塑方法存在的问题，开发出组织参数可控、性能稳定的制备工艺，将为纳米晶/超细晶材料在工程领域的广泛应用提供有力的技术支持，推动相关产业的发展和升级。

1.2国内外研究现状

在微米晶/超细晶复合增塑领域，国内外学者开展了大量的研究工作，取得了一系列有价值的成果。

在制备方法方面，国外研究起步较早，发展出了多种制备具有双峰分布组织材料的方法。如通过部分再结晶法，对经过剧烈塑性变形的材料进行适当的退火处理，使部分晶粒长大到微米级，从而形成微米晶与超细晶共存的双峰结构。这种方法虽然能够获得双峰组织，但正如前文所述，对退火工艺的敏感性较高，组织重复性较差。近年来，国外又提出了一些新的制备思路，如利用相分离技术，在特定的合金体系中，通过控制成分和工艺条件，使不同相在凝固过程中形成不同尺寸的晶粒，实现微米晶与超细晶的复合。

国内在这方面也紧跟国际步伐，不仅对传统的制备方法进行了深入研究和改进，还探索出了一些具有创新性的制备技术。有研究团队提出将经典物理冶金组织控制与剧烈塑性变形相结合的方法。以共析体系合金为例，先对典型的亚共析体系合金进行剧烈塑性变形，使其组织细化至亚微米或纳米尺度，随后进行退火处理。在退火过