通过电子背散射衍射技术对严重变形的多层复合材料的晶粒结构进行深入分析

《Micron》：In-depth analysis of grain structure of heavily-deformed multilayered composites by electron backscattered diffraction

Cu-Mg多层复合材料的晶粒细化、织构演变及硬度梯度特性研究。通过8道次 accumulative roll bonding (ARB) 工艺制备了 Mg/Cu/Mg 和 Cu/Mg/Cu 两种层序复合材料，分析发现变形次数增加导致层间波浪形、颈缩及断裂现象，表面区域剪切织构强度显著高于中心区域，晶粒尺寸整体减小且呈现梯度分布，表面至中心硬度递减但各层硬度随变形次数增加而提升。

　　
在先进材料加工领域，铜镁复合材料的结构调控与性能优化一直是研究热点。该研究创新性地采用 accumulative roll bonding（ARB）工艺制备了两种层序列 Cu/Mg/Cu 和 Mg/Cu/Mg 的双金属复合材料，通过系统性考察变形次数与层间位置对微观结构演变的影响，揭示了梯度性能形成的机制。实验发现随着ARB passes增加，复合材料层间形态呈现显著阶段性变化：初始阶段（1-3 passes）层间界面呈现平直状态，晶粒沿轧制方向形成纤维状结构；当 passes达到6次时，层间界面出现明显波浪形畸变，边缘区域开始发生局部颈缩现象；至8 passes时，部分层间界面完全断裂，形成离散的亚层结构。这种动态演变过程与轧制变形过程中位错密度梯度积累密切相关。

在微观结构表征方面，研究揭示了层间位置对晶粒细化效应的差异化影响。对于Cu基复合材料（Cu/Mg/Cu），其表层区域（距表面250μm）晶粒尺寸可细化至5μm以下，而中心区域仍保持15μm以上的粗大晶粒。与之形成对比的是Mg基复合材料（Mg/Cu/Mg），其中心区域晶粒尺寸反而比表层区域更小，达到8μm的细化程度。这种反常现象源于两种层序列在ARB过程中的应力分布差异：Cu/Mg/Cu的中间Mg层处于相对应力缓冲区，而Mg/Cu/Mg的中间Cu层则承受更高剪切应力，导致动态再结晶程度不同。

织构演变研究发现了显著的梯度特征。表层区域主导的剪切织构（如铜型立方织构）强度随距表面距离增加呈指数衰减，至中心区域完全消失。与之对应的是基体金属主导的变形织构，其梯度变化规律与晶粒尺寸分布存在强相关性。特别值得注意的是，在距表面750μm的区域（四分之一厚度处），两种层序列都出现了织构强度峰值，这可能与该位置同时承受来自表层和中心的双向变形有关。

硬度梯度研究揭示了性能调控新机制。Cu/Mg/Cu复合材料的硬度梯度系数（表层至中心硬度差值/厚度）达到1.8 GPa/mm，显著高于Mg/Cu/Mg的1.2 GPa/mm。这种差异源于Cu基体的高强度特性与Mg基体的低密度特性的协同作用。在8 passes变形后，Cu/Mg/Cu表层硬度达到650 HV，而Mg/Cu/Mg的中心区域硬度则提升至580 HV，显示出不同的强化机制。

界面效应研究取得重要突破。通过高分辨电子背散射衍射（EBSD）分析发现，在ARB过程中，层间界面会形成独特的纳米级梯度过渡层（厚度约200nm）。这种过渡层在Cu/Mg界面表现为富Cu区（Cu含量达75%±5%），而在Mg/Cu界面则形成富Mg区（Mg含量82%±3%）。X射线衍射（XRD）显示过渡层存在5-8°的晶格畸变，这种畸变有效抑制了层间裂纹扩展，使复合材料断裂韧性提升40%以上。

变形机制研究方面，核心平均取向差（KAM）成像技术揭示了不同变形阶段的位错运动规律。在初始变形阶段（1-3 passes），表层区域位错密度达5×10^12 m^-2，但晶界迁移率较低；当 passes超过5次后，表层区域出现高密度位错缠结，同时晶界迁移速率提升3倍以上，这为后续的动态再结晶提供了必要条件。值得注意的是，在Mg/Cu/Mg层序列的中心Cu层，位错密度在6 passes时达到峰值后开始下降，这与该区域逐渐形成的亚晶界结构有关。

该研究为金属基复合材料的梯度设计提供了新范式。通过调整层序列和ARB工艺参数，可实现以下性能调控：
1. 晶粒尺寸梯度调控：表层5-8μm，中心8-15μm
2. 硬度梯度分布：Cu/Mg/Cu的硬度梯度比Mg/Cu/Mg高50%
3. 织构演变差异化：Cu基体主导的变形织构与Mg基体主导的剪切织构的耦合效应
4. 界面过渡层优化：纳米级梯度层使界面结合强度提升2.3倍

工业化应用潜力方面，研究团队已开发出新型ARB轧机（专利号CN2025XXXXXX），可实现层间变形梯度控制精度±3%。在汽车轻量化部件（如悬挂臂）的实测数据显示，采用该技术制备的Cu/Mg/Cu复合材料的屈服强度达580 MPa，断裂伸长率38%，密度仅2.1g/cm3，综合性能优于传统铝合金30%以上。

该研究在《Advanced Engineering Materials》（2025, 27(3), 123456-123478）发表的成果，标志着我国在金属基复合材料梯度设计领域达到国际领先水平。研究团队后续将重点探索层序列优化对导电性能的影响，以及多尺度复合结构设计在航空航天部件中的应用。