基于微观结构特征的塑性应变与应力三轴性的死后分析（针对韧性断裂的铁素体-马氏体双相钢）：整合微观结构观测与介观尺度有限元模拟

《Journal of Materials Research and Technology》：Microstructural Feature-Driven Post-Mortem Analysis of Plastic Strain and Stress Triaxiality in Ductile-Fractured Ferrite-Martensite Dual-Phase Steel: Integrating Microstructural Observations and Mesoscale Finite Element Simulations

铝铜异种金属激光焊接接头中添加FeCoNiCrTi高熵合金，通过实验与DFT计算发现，其抑制Al-Cu IMC层生长（厚度从2.199μm降至1.027μm），促进TiNi相形成，显著提升接头抗拉强度（增加13.7%），并改变断裂模式为韧性撕裂主导。

　　铝和铜的激光焊接技术对电动汽车的可靠性有着直接的影响。随着汽车行业的发展，减少碳排放成为重要的研究方向，而电动汽车因其显著的环保优势，正成为实现碳达峰和碳中和目标的关键技术之一。然而，提高电动汽车的可靠性仍然是一个挑战，特别是在电池连接技术方面。电池作为电动汽车的核心组件，其性能的提升对于整体车辆的稳定性和安全性至关重要。因此，优化铝和铜之间的焊接工艺，特别是改进电池电极的连接技术，成为提升电动汽车可靠性的关键策略之一。

铝和铜由于化学和物理性质的不同，在焊接过程中容易形成金属间化合物（IMCs），这会显著影响焊接接头的性能。激光焊接作为一种高精度的连接技术，能够精确控制热输入，从而减少IMCs的形成，提升异种金属焊接接头的机械性能。因此，激光焊接在电池模块制造中被广泛应用。然而，现有的焊接技术在接头质量方面仍存在诸多问题，尤其是在焊缝区域的微观结构和机械性能上。为了进一步改善这些问题，研究者开始关注使用高熵合金作为填充材料的可能性。

高熵合金（HEAs）通常由多种主元素组成，形成稳定的固溶体结构，具有优异的机械性能和热稳定性。其中，以FeCoNiCr为基础的高熵合金因其良好的微观结构特性和热稳定性而受到广泛关注。进一步研究表明，加入钛元素可以引起晶格畸变，从而增强合金的机械性能。因此，将高熵合金作为铝和铜激光焊接的填充材料，具有潜在的应用价值。目前，高熵合金已经被成功应用于其他异种金属的激光焊接中，但关于其在铝和铜焊接中的应用仍较少。

为了全面评估FeCoNiCrTi高熵合金对铝和铜焊接接头的影响，本研究采用了一系列实验和理论分析方法。首先，通过激光焊接实验制备了含有和不含FeCoNiCrTi的样品。然后，利用场发射扫描电子显微镜（FE-SEM）、X射线衍射（XRD）和能谱分析（EDS）对焊接接头的断裂形态、IMCs的组成以及微观结构进行了详细分析。此外，还基于密度泛函理论（DFT）的第一性原理计算，对焊接接头中形成的不同相的弹性模量进行了计算，以揭示FeCoNiCrTi对焊接接头机械性能的影响机制。

实验结果显示，加入FeCoNiCrTi的焊接接头在拉伸强度上有所提高，而微观硬度则略有下降。同时，IMCs层的厚度从2.199微米减少到1.027微米。新的相表现出优于未添加FeCoNiCrTi的焊接接头的剪切模量、杨氏模量和体积模量，且所有新相均被确认为具有延展性的材料。FeCoNiCrTi的加入还增强了接头区域的材料强度和裂纹扩展阻力，使得焊接接头的断裂模式从脆性向延展性转变。这些发现为理解FeCoNiCrTi对铝/铜焊接接头机械性能的影响提供了可靠的依据。

在微观结构分析方面，通过EDS分析发现，含有FeCoNiCrTi的焊接接头在不同区域的原子比发生了显著变化。例如，区域A的Al/Cu原子比约为7:3，而区域B的原子比约为6:1。这些比例表明，区域A可能主要由Al?Cu组成，而区域B则包含更多的Al?Cu和铝固溶体。区域C和D的Al/Cu原子比接近4:1，这表明它们主要属于Al-Cu金属间化合物系统。值得注意的是，这些区域中Ti的含量有所增加，表明可能同时存在Al-Cu金属间化合物和含Ti的相。

XRD分析进一步确认了这些相的组成。在不含FeCoNiCrTi的焊接接头中，主要检测到Al?Cu的衍射峰，而在含有FeCoNiCrTi的样品中，除了Al?Cu外，还检测到TiNi的衍射峰。这表明FeCoNiCrTi的加入促进了TiNi的形成，而抑制了Al-Cu之间的直接反应。此外，XRD结果还揭示了FeCoNiCrTi对IMCs的形成和稳定性产生了重要影响，特别是在界面反应动力学和热力学平衡方面。

基于DFT的计算结果显示，FeCoNiCrTi的加入显著提高了新相的弹性模量，包括剪切模量、杨氏模量和体积模量。这些模量的提高意味着新相具有更高的刚性和抗变形能力，从而提升了焊接接头的整体机械性能。特别是，TiNi的剪切模量与杨氏模量均高于Al?Cu，表明其具有更好的结构稳定性。通过计算G/B比值，可以预测材料的机械行为，如脆性和延展性。G/B比值大于0.5表示脆性，而小于0.5则表示延展性。结果显示，Al?Cu的G/B比值为0.6，表明其为脆性相；而TiNi的G/B比值为0.41，表明其为延展性相。这表明FeCoNiCrTi的加入不仅改善了IMCs的弹性模量，还优化了其微观结构，促使焊接接头从脆性向延展性转变。

在机械性能测试方面，拉伸试验显示，加入FeCoNiCrTi的焊接接头最大拉伸载荷显著提高，达到788 N，比未加入的接头提高了13.7%。同时，未加入FeCoNiCrTi的接头表现出明显的脆性断裂特征，如局部空洞和密集的短裂纹，而加入FeCoNiCrTi的接头则显示出更广泛的塑性变形区域，裂纹扩展过程更缓慢，表现为延展性断裂。此外，微观硬度测试结果也表明，加入FeCoNiCrTi的接头微观硬度略有下降，从179.5 HV降低到166.2 HV，这可能与TiNi的形成有关。TiNi的高弹性模量使其能够吸收更多能量，从而提升了接头的延展性和断裂韧性。

IMCs的生长动力学分析表明，FeCoNiCrTi的加入显著抑制了IMCs的生长速率。通过测量IMCs层的厚度，发现含有FeCoNiCrTi的接头IMCs层平均厚度为1.027微米，而未加入的接头为2.199微米。这一变化表明FeCoNiCrTi的加入有效降低了有效的互扩散系数，抑制了IMCs的持续生长。此外，通过应用阿伦尼乌斯方程，进一步揭示了FeCoNiCrTi对IMCs生长速率的影响。高熵合金的加入增加了IMCs的表观活化能，抑制了快速扩散路径，从而减缓了IMCs的生长速度。

在缺陷尺度上，应力增加导致位错绕过非剪切性颗粒的运动可以由奥罗万关系描述。研究发现，尽管TiNi的体积分数较低，但其纳米级、非渗透性的分布使得位错运动受到显著阻碍，从而促进了裂纹尖端的钝化和局部不稳定性延迟。此外，弹性异质性引入了另一个关键机制。第一性原理计算表明，TiNi的杨氏模量高于Al?Cu，其在Al?Cu主导的界面中形成，使得裂纹路径上的刚度场从几乎均匀变为空间异质。在平面应变条件下，这种弹性不匹配可以通过相关公式进行表征，从而改变裂纹尖端的模式混合和相角，促进裂纹向更合规的区域偏转，减少裂纹扩展的可能性。

综上所述，FeCoNiCrTi的加入显著改变了铝和铜焊接接头中的塑性和脆性区域的平衡。未加入FeCoNiCrTi的接头表现出脆性断裂模式，裂纹快速沿界面扩展，而加入FeCoNiCrTi的接头则显示出更广泛的塑性区域和更长的变形过程。这种变化与接头微观硬度的降低密切相关，表明脆性Al?Cu层被更合规的TiNi结构所取代，从而缓解了应力集中并促进了延展性断裂。此外，IMCs层的生长遵循扩散控制的抛物线规律，FeCoNiCrTi的加入显著减小了IMCs层的厚度，从而减缓了其生长速度和溶质扩散速率，提高了接头的断裂韧性。

本研究通过系统的实验和理论分析，揭示了FeCoNiCrTi对铝/铜焊接接头的积极影响。FeCoNiCrTi的加入不仅提高了接头的拉伸强度和断裂韧性，还优化了其微观结构，使得焊接接头在高负载条件下表现出更好的性能和耐久性。这些改进主要归因于FeCoNiCrTi对IMCs生长的抑制作用以及其在接头区域中形成的纳米级TiNi相。通过抑制IMCs的持续生长，FeCoNiCrTi有效提升了接头的机械性能，从而为铝/铜焊接技术的进一步发展提供了重要的理论支持和实践指导。