《International Journal of Hydrogen Energy》：Ductile fracture behavior of a 2219 high strength aluminum alloy used for storage tanks at cryogenic temperatures
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氢能储运装备用铝合金部件的低温成型损伤机制研究，通过2219 Al-Cu合金的深冷冲压和胀形实验，结合分子动力学模拟和变形损伤模型，揭示了低温下裂纹抑制效应及位错胞结构对损伤的阻碍作用，为极寒环境储氢设备制造提供理论支撑。
程旺军|张金凡|贾海东|江洪
新疆大学机械工程学院，乌鲁木齐，830017，中国
摘要
铝合金头部是低温（CT）储罐内衬的关键部件，其性能对于氢气的安全高效储存至关重要。本研究通过低温深拉试验研究了2219 Al–Cu合金的损伤行为。利用成形极限图和Oyane准则建立了变形-损伤模型，并通过分子动力学模拟阐明了微观断裂机制。结果表明，在室温下孔边缘会引发裂纹，但在-196°C时裂纹形成受到抑制。在低温条件下，半球形底部圆顶的拉深深度超过了62毫米。在-160°C时，最小壁厚增加了24.8%，在-196°C时增加了34.3%，这表明该合金具有优异的低温韧性。此外，在低温变形过程中形成了位错胞结构。晶粒内的位错储存增强效应抑制了晶界处的“雪崩效应”，从而减少了微裂纹的形成并提高了抗应变硬化能力。
引言
氢已成为实现全球碳中和的关键能源载体，是通往未来清洁能源系统的重要途径[[1], [2], [3]]。中国的“双碳”战略（碳峰和碳中和）对氢储存和运输基础设施的绿色制造和运行安全提出了严格要求。因此，低温液化技术已成为实现绿色、高效和灵活的天然气（LNG）和液态氢（LH2）储存和运输的主要方法[4,5]。然而，大规模、高性能低温储存系统的制造仍然是一个重大的技术挑战。现代系统越来越倾向于结合高可靠性和轻量化结构。因此，开发大规模、轻量化的液化天然气（LNG）和液态氢（LH2）储罐已成为先进能源设备制造的关键优先事项[6,7]。
铝合金内衬头部（图1）是这些储罐的关键部件，具有较大的尺寸、较深的拉深深度和较薄的壁厚。由于其较高的比强度、优异的低温韧性和良好的耐腐蚀性，铝合金被优先用于这一应用[8,9]。这些部件在极端条件下运行，包括低温（CT）、高频振动和复杂的应力状态。这些条件对材料、成形工艺和最终产品提出了严格要求。传统上，高强度铝合金壳体是通过温加工或热加工工艺制造的。然而，这些高温方法可能会引入表面缺陷和微观结构退化（例如，晶粒生长和沉淀物粗化），从而可能影响性能[10,11]。相比之下，低温成形工艺（如低温轧制和深低温冲压）提供了有前景的替代方案。低温环境提高了合金的强度和硬度，并减少了模具粘附，从而最小化了表面损伤[12,13]。这抑制了原子扩散和晶界迁移，防止了晶粒生长和不利相变，从而保持了细晶粒、高性能的微观结构[14,15]。
尽管对Al–Cu合金在室温（RT）和高温下的成形进行了大量研究，但关于低温成形及其潜在损伤机制的研究仍然有限[[16], [17], [18]]。Al–Cu合金在低温条件下的鼓胀孔和深拉损伤行为尚未得到充分研究。低温条件下合金韧性增强的基本微观机制仍然不清楚。具体来说，由于实验和模拟数据的限制，低温条件、位错演变以及损伤萌生之间的相互关系及其对成形性的综合影响在理论上尚不明确。此外，由于高强度铝合金在氢应用中存在氢脆（HE）的风险，这些部件的完整性至关重要[[19], [20], [21]]。尽管氢脆是影响储罐寿命的关键因素，但本研究特别关注制造阶段。我们的研究了在低温条件下由成形引起的损伤及其抑制机制。
本研究探讨了高强度2219 Al–Cu合金的宏观变形与损伤行为之间的相关性。通过进行平板底部和球形底部拉深损伤试验来表征该合金在低温条件下的损伤行为。通过宏观-微观模拟分析了变形-损伤机制，以阐明损伤演变和硬化过程。研究结果为高强度铝合金组件的低温成形提供了宝贵的指导，从而支持了关键LNG和LH2储存和运输设备的制造技术进步。
部分摘录
塑性断裂模型
高强度2219 Al–Cu合金板材的变形-损伤模型为开发低温成形工艺提供了关键框架。该模型强调了损伤机制和强化效应作为关键因素。尽管对2219 Al–Cu合金板材在室温下的损伤进行了大量研究，但在低温条件下的损伤研究仍然相对有限。目前，成熟的韧性-断裂模型主要分为两类：耦合塑性断裂模型材料与设备
使用厚度为1.5毫米的2219 Al–Cu合金板材作为原始材料，该材料经过了固溶处理。合金的化学成分列于表1中。圆形孔板材的尺寸为180毫米×180毫米×1.5毫米，中心孔直径为22毫米。这些预钻孔用于表征在外力作用下的失效行为。实验装置包括低温鼓胀和深拉试验。鼓胀装置由四个主要部分组成：鼓胀孔
通过测量鼓胀载荷和鼓胀高度来评估2219 Al–Cu合金在低温条件下的损伤抑制特性[27,28]。图4展示了2219 Al–Cu合金在室温（RT）和低温（-160°C和-196°C）下的鼓胀过程中的模具行程-载荷曲线。随着平底凸模的位移增加，室温试样中的圆形孔边缘首先出现裂纹。相比之下，在相同位移下，低温试样中没有出现裂纹结论
本研究通过室温（RT）和低温（CT）下的鼓胀孔和深拉试验，研究了固溶处理后的2219 Al–Cu合金的强度和应变硬化行为。通过分子动力学预测和TEM观察定量阐明了2219 Al–Cu合金板材在低温条件下的损伤机制。主要结论如下：
(1)2219 Al–Cu合金板材在低温下表现出显著的损伤抵抗能力和高低温韧性。
作者贡献声明
程旺军：撰写——审稿与编辑、监督、资源管理、项目协调、资金获取、概念构思。张金凡：撰写——初稿撰写、验证、方法论研究、实验研究、数据分析。贾海东：撰写——审稿与编辑、数据可视化、软件应用、方法论研究、数据分析。江洪：撰写——审稿与编辑、数据可视化、验证、实验研究、数据分析。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文所述的工作。（程旺军、张金凡、贾海东和江洪证明这是一份原创手稿，没有可能影响本文所述工作的财务利益冲突或个人关系。此外，该手稿尚未提交给其他出版机构发表。）致谢
本工作得到了新疆自治区重点研发专项计划（编号：2024B01003-1、2024B01003-2）、国家自然科学基金（编号：52365052）和新疆维吾尔自治区自然科学基金（编号：2022D01C653）的财政支持。
