國際研究團(tuán)隊(duì)在室溫下利用高壓扭轉(zhuǎn)技術(shù)，成功將通常難以互溶的銅與釩制成固態(tài)合金。該成果突破了平衡熱力學(xué)限制，經(jīng)773開爾文退火處理后，合金抗拉強(qiáng)度可達(dá)約1300兆帕，延伸率為3.5%，遠(yuǎn)超同等工藝處理的純銅或純釩。

這項(xiàng)由馬爾馬拉大學(xué)Serkan ??üt領(lǐng)銜，聯(lián)合倫敦國王學(xué)院、伯恩茅斯大學(xué)及南加州大學(xué)研究人員共同完成的工作，已發(fā)表于《材料科學(xué)雜志：冶金學(xué)》。研究首次通過該方法實(shí)現(xiàn)了銅釩體納米結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的完全固態(tài)混合，延續(xù)了此前在銅鉭、銅鉬等不相容金屬對上的研究路線。

實(shí)驗(yàn)采用層疊結(jié)構(gòu)：將厚度為0.8毫米的無氧銅片與純釩片交替堆疊，置于砧座間施加6.0吉帕室溫壓力并進(jìn)行扭轉(zhuǎn)。扭轉(zhuǎn)圈數(shù)從半圈至250圈不等，產(chǎn)生的等效應(yīng)變遠(yuǎn)超常規(guī)塑性變形工藝的極限。

光學(xué)顯微鏡顯示，隨著扭轉(zhuǎn)圈數(shù)增加，兩層金屬逐漸融合。10圈時(shí)分層清晰；20圈外圍開始破碎；50圈可見明顯混合；需達(dá)到200至250圈截面才呈現(xiàn)均勻灰色，表明應(yīng)變累積促使合金化由邊緣向中心擴(kuò)展。掃描電鏡與能譜分析證實(shí)，200圈樣品中銅層含釩量達(dá)15%至35%，遠(yuǎn)超室溫平衡溶解度（0.08重量百分比）。250圈樣品邊緣形成均勻的銅固溶體（含20原子百分比釩），中心則為富釩薄層分布的基體。X射線衍射進(jìn)一步驗(yàn)證了晶格膨脹與約19%的平均釩濃度，銅晶粒尺寸同時(shí)細(xì)化至約12納米，伴隨約1.7%的晶格微應(yīng)變。

透射電鏡揭示出獨(dú)特的雙峰異質(zhì)結(jié)構(gòu)：約100納米的粗大富銅晶粒與20至30納米的細(xì)晶混合區(qū)共存。粗晶區(qū)存在直孿晶和少量位錯(cuò)，表明加工過程中發(fā)生了動(dòng)態(tài)再結(jié)晶。高強(qiáng)度源于溶解釩的固溶強(qiáng)化、界面位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)阻礙、納米晶霍爾-佩奇效應(yīng)以及富釩細(xì)晶的彌散強(qiáng)化作用。

退火實(shí)驗(yàn)揭示了強(qiáng)度與塑性的可調(diào)平衡。773開爾文退火1小時(shí)后硬度僅中心區(qū)域下降，強(qiáng)度達(dá)峰值；升至973開爾文和1173開爾文時(shí)，整體強(qiáng)度分別降至約800兆帕和500兆帕，但延伸率提升至約30%和50%。這種粗晶提供塑性、細(xì)晶提供強(qiáng)度的設(shè)計(jì)思路契合當(dāng)前結(jié)構(gòu)材料前沿。釩密度僅為6.1克/立方厘米（低于鉬的10.2和鉭的16.4）且中子活化截面低，使該合金在高場磁體導(dǎo)電部件、嚴(yán)苛電氣觸點(diǎn)及粒子加速器組件領(lǐng)域具備應(yīng)用潛力。研究指出，直接電阻率測量仍待后續(xù)開展，因嚴(yán)重變形可能產(chǎn)生具有不同傳輸行為的非平衡固溶體。目前該技術(shù)尚屬實(shí)驗(yàn)室突破，工業(yè)化路徑仍有待探索。