背景：为延长输电与核能装备的服役寿命和稳定性，对CuCr复合材料的强韧性要求正持续提高。传统材料加工方法往往以牺牲塑性为代价来提升强度——这类方法主要通过提高阻碍位错运动的障碍物密度或缩短位错自由程来实现强化，由此形成了经典的强度—塑性倒置关系。为攻克复合材料服役过程中面临的这一矛盾，研究人员已采用多种策略，例如双梯度结构设计、纳米孪晶制备以及位错—相交互作用的精准调控。Guo等人采用激光粉末床熔融技术制备出Ni35Co35Cr25Ti3Al2合金，该合金中由钛偏聚诱导形成的蜂窝状位错胞结构，可在变形过程中实现位错的动态存储、滑移带细化及应变硬化，进而使合金的强度与塑性得到同步提升。

随着极端加工技术的问世，研究人员证实,高温高压（HPHT）处理可显著改变金属材料的微观组织、物相组成与力学性能。Tang等人采用六面顶压机，在6 Gpa、1473 K条件下Al0.7CoCrFeNi高熵合金进行高温高压处理，诱导合金形成了六边形胞状结构。位错、堆垛层错、微带及变形孪晶的依次激活，再加上多相之间的协同变形，最终使该合金的强度提升一倍，塑性提高36%。

采用机械加工法制备的CuCr复合材料，通常会因形成高密度纳米晶结构而具备极高强度。但这种晶粒细化效应往往会导致应变局部化，并加剧两相之间的力学不相容性，从而严重制约材料的塑性。已有研究表明，通过对铜铬复合材料的微观组织进行合理调控，提高相界面结合强度并缓解应力集中，可在提升强度的同时改善塑性。这一结论也证实CuCr复合材料的宏观力学性能与其微区力学性能之间存在密切关联。纳米压痕蠕变测试是一种用于研究材料微/纳尺度蠕变行为的实验手段，尤其适用于复合材料、多相材料或难以制备标准蠕变试样的材料。在恒定载荷作用下，材料的压痕深度会随时间缓慢增加，这种与时间相关的变形行为可直接反映材料的蠕变特性。Wang等人利用纳米压痕技术研究了Inconel 718合金在不同温度下的蠕变行为，并分析了温度对材料位错攀移机制的影响；Zhang等人通过纳米压痕法对陶瓷材料开展蠕变性能测试，探究了氧空位调控下（K,Na）NbO3基陶瓷的增韧机制。本研究采用纳米压痕测试分析不同加工工艺对材料局部蠕变行为的影响，旨在进一步揭示CuCr50复合材料的微区变形行为与力学性能之间的关联规律。

针对铜铬复合材料在高压开关、核电系统、航空航天部件等应用场景的极端服役条件下所面临的严苛性能要求，本研究采用高温高压处理技术调控CuCr50复合材料的位错胞结构与物相组成，探究Cr颗粒形貌及局部变形行为对CuCr50复合材料拉伸性能的影响，以期为实现该材料的强塑性协同提升探寻可行路径。研究结果表明：高温高压（5 GPa、900 ℃）处理不仅改善了Cr颗粒的球形度，同时增强了Cu/Cr界面的结合强度，这使得铜相与铬相在拉伸载荷作用下能够实现协同变形，有效抑制应力集中现象的产生。与此同时，经高温高压处理的CuCr50复合材料内部会形成位错胞结构，该结构兼具位错源与位错运动壁垒的双重作用。位错的有效增殖与存储进一步挖掘了材料的变形潜力，使载荷作用下的应力分布更加均匀，塑性变形能力得以提升，最终有效缓解了应变局部化与界面失效问题，实现了材料高强度与优良塑性的良好匹配。

该项研究成果以“High-pressure and high-temperature treatment overcoming the strength-ductility trade-off in CuCr50 composite”为题，在线发表于国际材料期刊《Journal of Materials Science & Technology》。河海大学赵永好教授、魏峥，河南省科学院宋克兴为该论文通讯作者。该研究工作获得国家自然科学基金（52401190）、2023年河南省重大科技专项（231100240200）、河南省科学院科研启动基金项目（242017002、20251817003）、国家重点研发计划（2017YFA0204403）及江苏省前沿技术基础研究重大项目（BK20222014）的支持。

文章链接：

https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S100503022600023X?via%3Dihub

 图1：CuCr50-1、CuCr50-2及CuCr50-3三种复合材料的力学性能：（a）应力—应变曲线；（b）对应图（a）的加工硬化率曲线；（c）CuCr50复合材料的抗拉强度与断裂延伸率关系曲线，并与已报道的多组元高强度铜铬复合材料数据对比。

图2 CuCr50复合材料拉伸试样的断口特征：（a）CuCr50-1；（b）CuCr50-2；（c）CuCr50-3复合材料试样的断口形貌。

图3不同工艺处理后CuCr50复合材料的X射线衍射图谱（a、b）、微观组织及颗粒尺寸分布：（c、d）CuCr50-1；（e、f）CuCr50-2；（g、h）CuCr50-3。

图4不同温度下经高温高压处理的铜铬复合材料微观组织演变。（a1–a3）CuCr50-1复合材料；（b1–b3）CuCr50-2复合材料；（c1–c3）CuCr50-3复合材料；（d）铜相的取向差角（KAM）及几何必需位错密度（ρGND）；（e）铬相的取向差角（KAM）及几何必需位错密度（ρGND）。

图5 CuCr50-1（a、b）与CuCr50-2（c-h）复合材料的微观组织：

（a）铜铬界面区域及该区域的能谱仪（EDS）面分布图；

（b）图（a）中A区域的高分辨图像及铜、铬相的衍射斑点；

（c）高位错密度区域；（d）界面区域；

（e）图（d）中C区域的高分辨图像；

（f）位错墙堆积区域（图（c）中B区域）；

（g）沿晶界析出的铬颗粒（图（d）中C区域）；

（h）位错胞自组织结构的边界（图（f）中E区域）

图6 CuCr50-3复合材料的微观组织：

（a）界面区域及A区域的衍射斑点；

（b）图（a）中A区域的高分辨图像；

（c）铬相在铜基体中的不连续析出；

（d）位错及纳米级铬析出相（图（a）中B区域）；

（e）铜基体中的纳米级铬析出相及能谱仪（EDS）检测结果；

（f）图（e）中C区域的高分辨图像。

图7 CuCr50-1与CuCr50-2复合材料的纳米压痕测试结果：

（a）铜铬复合材料中铜相和铬相的载荷—位移曲线；

（b）恒定载荷（20mN）下的蠕变曲线；

（c）峰值载荷及卸载后压痕变形的示意图；

（d）蠕变过程的Kelvin-Voigt模型图；

（e）铜铬复合材料中铜相和铬相的延迟谱

图8 CuCr50-1与CuCr50-2复合材料的纳米压痕测试结果：

（a）CuCr50复合材料的载荷—位移曲线；

（b）恒定载荷（600mN）下的蠕变曲线；

（c）CuCr50复合材料的延迟谱；

（d）CuCr50-2复合材料的典型压痕形貌

                                           图9

CuCr50-1（a）、CuCr50-2（b）、CuCr50-3（c）复合材料试样的颈缩区及断口形貌；基于铜铬复合材料形貌（d–f）构建的有限元模型：

（d1–d3）拉伸变形量为2%、6%、10%时CuCr50-1复合材料的应力分布云图；

（e1–e3）拉伸变形量为2%、6%、10%时CuCr50-2复合材料的应力分布云图；

（f1–f3）拉伸变形量为2%、6%、10%时CuCr50-3复合材料的应力分布云图.

图10 CuCr50-1（a、b）、CuCr50-2（c–e）、CuCr50-3（f–h）复合材料中A区域的形貌：

（a）铜/铬界面区域的暗场（DF）形貌及能谱仪（EDS）分析结果；

（b）图（a）中的A区域；

（c、d）铜/铬界面区域的明场（BF）与暗场（DF）形貌；

（e）图（c）中的B区域；

（f）CuCr50-3复合材料的铜/铬界面区域；

（g、h）界面区域位错的明场（BF）与暗场（DF）形貌。

图11 CuCr50-1（a–c）、CuCr50-2（d–f）、CuCr50-3（g、h）复合材料中B区域的形貌：

（a）CuCr50-1复合材料中的铬颗粒；（b）嵌于铬相内的铜颗粒；

（c）铜/铬界面区域的暗场形貌；（d）CuCr50-2复合材料的铜/铬界面区域；

（e）铬颗粒内的位错胞结构；（f）位错胞的细化特征；

（f1、f2）图（f）对应的能谱面分布图；

（g、h）CuCr50-3复合材料的铜/铬界面区域；

（h1、h2）图（h）对应的能谱面分布图；

（i–k）铬相内位错胞的细化过程示意图

结论

本研究提出一种新颖策略，通过HPHT处理实现CuCr50复合材料的强韧性协同提升。研究人员对电弧熔炼法制备的CuCr50复合材料开展不同温度条件下的高温高压处理，系统探究了复合材料在高温高压环境下的微观组织演变规律，并从微观结构角度解析其强韧化机制。主要结论如下：

（1）经900 ℃、5 GPa高温高压处理后，CuCr50复合材料的位错密度显著提高，且促进了位错胞结构的形成；同时，铬颗粒尺寸减小、球形度改善，铜/铬界面结合强度得到增强。而在1500 ℃处理条件下，铬颗粒发生相互焊合，导致其球形度下降；冷却后，CuCr50-3复合材料的位错密度显著降低。

（2）900 ℃、5 GPa高温高压处理使CuCr50复合材料的屈服强度σy从159.20±7.65增加到324.83±16.61 MPa,，抗拉强度σb从260.96±6.48提高到408.39±7.65 MPa，断裂延伸率εf从33.82%±2.03%增加到44.85%±2.4%。该高温高压处理成功突破了材料强度与塑性之间的传统倒置关系。与已报道的铜铬基材料相比，CuCr50-2复合材料的塑性达到了近乎最高的水平。

（3）铜/铬界面结合强度的增强与铬颗粒球形度的改善，促进了铜相与铬相的协同变形，既缓解了应力集中现象，又抑制了界面开裂的发生。位错胞结构兼具位错源与位错运动壁垒的双重作用，为位错滑移及位错间交互作用提供了充足空间；此外，位错胞结构在变形过程中持续细化。上述因素共同作用，最终实现了CuCr50复合材料强度与塑性的协同提升。