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冷轧与电脉冲协同处理纯铜实现强度塑性平衡优化，通过冷轧引入多级缺陷协同强化系统提升强度，但导致塑性下降。电脉冲处理通过调控位错结构（减少缠结、增加Σ3孪晶界比例）和优化织构分布，在保持323.5-353.7MPa高强度的同时将延伸率从8%提升至10.3%，解决了传统冷轧-退火工艺的强度-塑性倒置矛盾。
韩子怡|李超|陈子帅|宁慧燕|李峰
哈尔滨工业大学材料科学与化学工程学院，中国黑龙江省哈尔滨市，150040
摘要
实现材料在复杂应力场下的服役性能，关键在于强度与塑性的匹配。由于纯铜本身强度较低，通过低温轧制（CR）处理后，原始纯铜板的抗拉强度（UTS）从187.5 MPa显著提升至378.6 MPa，但该过程引起的加工硬化大大降低了材料的塑性。为协调这一矛盾，本文首先通过CR将高密度晶缺陷引入材料基体，进而采用高密度电脉冲处理来调控微观结构，优化材料的综合性能。实验结果表明，经过低温轧制后进行电脉冲处理（CR + EPT）的样品，其屈服强度（YS）为323.5 MPa，抗拉强度（UTS）为353.7 MPa，延伸率（EL）为10.3%。与CR样品相比，强度损失不到9%，而延伸率提高了约98%，从而实现了纯铜强度与塑性的良好匹配。微观结构分析显示，CR + EPT样品中织构成分的分布相对均匀，位错缠结程度减轻，Σ3孪晶界的比例增加。深入分析表明，电脉冲处理有效保留了低温轧制产生的多级缺陷协同强化机制。同时，电脉冲处理的介入为部分位错的移动提供了额外的驱动力，降低了系统的总自由能。
引言
随着全球向绿色、低碳和高端制造业加速发展，金属材料已成为支撑可持续发展的关键材料[1,2]。然而，某些金属固有的低强度严重限制了它们在复杂应力环境中的应用[3]。为解决这一问题，常用的方法是引入第二相颗粒来增强强度，但这不可避免地会损害金属的单相性能，并涉及复杂的制备过程、增加成本以及降低微观结构稳定性[[4], [5], [6]]。此外，传统的强化策略主要依靠塑性变形引入晶缺陷，这通常伴随着塑性的显著降低。因此，在保持单相结构的同时实现强度与塑性的协同作用已成为该领域的重要科学挑战。
以典型的面心立方（FCC）金属纯铜为例，许多研究者围绕这一核心问题进行了广泛探索。Sundar S.P.等人[7]比较了不同的轧制温度，发现低温轧制会形成室温轧制样品中不存在的纳米孪晶。这些纳米孪晶界面能有效阻碍位错运动，显著增强纯铜的强度。Gao等人[8]通过抑制动态回复来提高强度和硬度，这促进了高位错密度的形成和纳米孪晶的产生，进而实现了显著的晶粒细化强化。Chen等人[9]研究了退火对轧制纯铜板力学性能的影响，结果表明CR样品具有较高的强度但塑性较低，YS为340 MPa，EL为8%。退火后晶粒生长导致YS急剧下降至81 MPa，EL显著提高至49%，这一过程虽然降低了强度，但大幅提高了塑性。Afifeh等人[10]采用了不对称低温轧制后进行退火的处理方式，观察到退火孪晶的形成，相应的YS为192 MPa，EL为37.2%。Gao等人[11]结合轧制和退火工艺实现了精细的微观结构。
值得注意的是，尽管低温轧制与退火的传统组合在调控强度和塑性方面取得了一定进展，但仍存在固有的矛盾[12,13]。低温轧制以牺牲塑性为代价提高强度，而退火则在恢复塑性的同时降低了强度，常常导致晶粒异常生长[[14], [15], [16]]。电脉冲处理作为一种潜在的解决方案，能够促进金属结构的独特演变和位错行为[17,18]，加速金属的回复和再结晶，降低位错密度，并促进局部优先取向，从而在强度与塑性之间实现平衡[[19], [20], [21], [22]]。然而，低温轧制纯铜在电脉冲处理下的微观结构演变和强化机制尚未得到系统研究。因此，本研究以经过少道次、大压下量低温轧制的纯铜板为研究对象，引入高密度电脉冲处理来调控其力学性能。通过结合室温拉伸试验和高分辨率微观结构表征，比较分析了电脉冲处理前后力学性能和微观结构演变的特点，明确了电脉冲处理对低温轧制纯铜微观结构的演变影响。目的是揭示电脉冲处理下纯铜强度与塑性协同作用的机制，为突破纯铜的性能瓶颈提供理论基础，并为低温加工技术的优化和性能提升提供新的研究思路。
工艺原理
本文采用低温轧制与电脉冲处理相结合的工艺。首先，材料在低温环境下经历大的塑性变形。液氮等低温介质的应用有效抑制了原子扩散和动态回复过程。随后，通过瞬态高能量输入施加高密度电脉冲处理，以消除局部应力集中。该工艺的核心优势在于能够有效优化材料的微观结构。
力学性能
对纯铜CR样品、CR + EPT样品以及低温轧制后进行常规热处理（CR + CHT）的样品进行了拉伸试验。图2a展示了工程应力-应变行为，图2b提供了YS、UTS和EL的统计比较，并附有表示标准偏差的误差条。从这些曲线中提取的关键力学性能数据见表1（数据以平均值±标准偏差的形式呈现）。结果表明，不同的处理条件对材料性能产生了显著影响。
低温轧制的微观结构分析
图6展示了CR引入的多级缺陷层次结构，直接比较了实验透射电镜（TEM）观察结果（图6b–e）与相应的分子动力学（MD）模拟结果（图6 b1-e1）。在低温环境下，由于热激活受到抑制，位错滑移成为主要的塑性变形方式[39]，从而形成了由低角度位错墙包围的位错胞结构（图6b）。
结论
- (1)
通过低温轧制，原始纯铜板的抗拉强度（UTS）从187.5 MPa显著提升至378.6 MPa，但加工硬化大大降低了材料的塑性。经过CR + EPT处理后，样品的YS、UTS和EL分别为323.5 MPa、353.7 MPa和10.3%。与CR样品相比，强度损失小于9%，延伸率提高了近98%，实现了优异的强度-塑性协同匹配。
- (2)
高密度电脉冲处理进一步改善了材料的...
CRediT作者贡献声明
韩子怡：撰写初稿。
李超：撰写、审阅与编辑，概念构思。
陈子帅：数据整理。
宁慧燕：软件应用。
李峰：方法学设计。
利益冲突声明
作者声明不存在可能影响本文研究的已知财务利益冲突或个人关系。
致谢
本研究得到了黑龙江省自然科学基金（LH2023E112）的支持。
