近日，我院黄崇湘教授团队通过累积叠轧技术制备了三种不同层厚的异质Cu-Fe层状结构材料，研究了异质界面影响区域对层状结构材料的强韧化以及形变机制的影响。相关研究成果以“Superior strength-ductility combination resulted from hetero-zone boundary affected region in Cu-Fe layered material”发表在国际材料科学领域TOP期刊Journal of Materials Science & Technology（中科院一区，2022年IF=10.9）上。我院2021级博士研究生冉昊为第一作者，我院教师陆晓翀博士和黄崇湘教授为论文共同通讯作者。四川大学空天科学与工程学院为唯一通讯单位。该研究工作得到了国家自然基金重点项目（NSFC，No. 91931003）和重点研发计划（NSFC，No. 92263201）等项目的支持。

强度和塑性是结构材料的两项重要性能，但它们往往存在倒置关系。近年来，通过在金属材料中引入异质结构可以有效地解决强度-塑性倒置关系这一问题，获得优异的强度与塑性的匹配。在异质结构材料中，层状结构材料拥有明确的界面，有利于研究界面力学相关的基础科学问题。界面附近包含应变梯度的区域被定义为异质界面影响区域（hetero-zone boundary affected region, HBAR,），它的形成机理以及对层状结构材料变形机理的影响尚不明确，这对设计拥有优异力学性能的层状结构材料有着重要作用。

三种异质Cu-Fe层状结构材料总厚度均为~ 1 mm，层厚分别为 ~250 mm，~65 mm及~16 mm（图1）。铜层为粗晶结构，铁层为拉长纳米晶结构。单轴拉伸结果表明，Cu-Fe层状结构材料的屈服强度及均匀延伸率随层厚减小同时增加，并且屈服强度均优于混合法则所得的数值（图2）。

图1 光学显微镜图像及相应的硬度分布图：（a，d）A5样品，（b，e）A17样品和（c，f）A65样品；（g）A65样品界面附近的EBSD图像.

图2 Cu-Fe层状结构材料及单层Cu和Fe的拉伸力学行为。（a）工程应力应变曲线；（b）真应力应变曲线及加工硬化曲线。

经过拉伸变形后，几何必要位错（geometrically necessary dislocations，GNDs）在界面附近堆积以承担应变梯度，从而在界面附近均形成HBAR。表面变形的轮廓测量表明，随着层厚减小，Cu-Fe层状结构材料的侧面层间高度差减小，界面处的高度梯度值减小，说明层间约束增加，协同变形能力增加。异质变形引起的层间约束使得GND在界面附近堆积（图3）。图4展示了不同比例HBAR带来的额外强化效果。更高比例的HBAR可以带来更多的额外强化效果。此外，增加层间异质性也能增加额外强化效果。

图3 A65样品中GND密度随应变的变化。（a）不同应变下GND密度分布；（b）不同应变下GND密度增量分布。

图4 具有不同比例HBAR的层状材料的额外强化效果对比。

本研究通过制备不同层厚的Cu-Fe层状结构材料，它们的铜层均为粗晶结构，铁层为拉长纳米晶结构。强度及塑性随层厚的减小而同时增加。变形中的层间约束及应变分配使得GND在界面周围堆积以承担应变梯度并形成HBAR。随着层厚的减小，HBAR比例增加，带来更多的额外HDI强化和硬化，增强了层状结构材料的协同变形能力，从而同时提升层状结构材料的强度和塑性。

论文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S1005030223008770