通过梯度亚晶-纳米沉淀复合结构来控制高强度铝合金的循环可靠性

《ACTA MATERIALIA》：Taming cyclic reliability in high-strength Al alloys via gradient subgrain-nanoprecipitate composite structures

抗疲劳Al合金梯度亚晶界-纳米析出物协同强化机制研究

　　高强铝合金因其优异的力学性能，在航空航天和轨道交通等领域得到了广泛应用。然而，这些材料在不对称应力循环下容易出现显著的循环软化现象，从而导致疲劳失效的发生。为了解决这一问题，研究人员提出了一种创新的双梯度结构设计，该结构结合了亚晶网络和纳米析出相，显著提升了铝合金的抗疲劳性能。这种结构不仅能够有效抑制局部塑性变形的积累，还能显著延迟裂纹的萌生和扩展，从而大幅延长材料的疲劳寿命。

循环可靠性是衡量材料在周期性载荷下机械稳定性的关键指标，它直接关系到材料的疲劳性能。传统的高强铝合金在经历不对称应力循环时，由于其较高的堆垛层错能，容易发生动态回复，限制了其应变硬化能力。这种特性使得材料在循环载荷下，特别是在高周次疲劳（HCF）条件下，表现出较差的抗疲劳性能。因此，如何通过微结构调控来提升材料的循环稳定性，成为当前材料科学领域的重要研究方向。

在众多策略中，促进平面位错滑移是提高材料抗疲劳性能的有效途径之一。平面位错滑移可以增强材料的软区，从而实现更均匀的循环应变分布。此外，相变诱导塑性（TRIP）效应也被证明能够促进软区的快速硬化，类似于TRIP钢中的持续循环硬化现象。这种机制有助于提升材料的抗HCF能力。因此，材料的循环硬化行为成为评估其抗疲劳性能的重要依据。

为了进一步提升铝合金的抗疲劳性能，研究团队提出了一种“溶液-梯度变形-时效”三步工艺，通过激光冲击加工（LSP）诱导超高速应变率变形，从而引入梯度亚晶和过量空位。这些梯度缺陷在后续的低温时效过程中引导纳米析出相的形成，最终形成一种梯度亚晶-析出（GSP）结构。这种结构在性能上表现出显著的优势，不仅具有快速的循环硬化能力，还具备较高的内部摩擦特性，从而有效抑制了局部塑性应变的积累和裂纹的扩展。

GSP结构的形成过程可以分为几个关键步骤。首先，对样品进行溶液处理，以获得均匀的固溶体。随后，样品在自然时效条件下放置4天，以实现一定的硬度并减少梯度变形带来的宏观变形。接下来，样品经历三次LSP与自然时效的组合处理，通过LSP诱导的高密度空位作为时效的驱动力，确保了时效过程的持续进行。最终，形成的GSP结构在微观尺度上呈现出独特的梯度特性，这种特性在力学性能上表现出显著的提升。

在微观结构方面，GSP结构的亚晶网络和纳米析出相的分布具有高度的梯度性。例如，在商业7075铝合金中，经过LSP处理后，表面形成了一个由低角度晶界（LAGBs）组成的亚晶网络，这些晶界占据了表面以下100微米区域的约96%。随着深度的增加，LAGBs的比例逐渐减少。与此同时，纳米析出相的分布也呈现出明显的梯度特征，表面区域的析出相较大，而核心区域的析出相则较小。这种微观结构的梯度性为材料提供了优异的动态硬化能力和内部摩擦特性。

在点缺陷驱动的梯度析出方面，研究团队发现，梯度变形引入的缺陷，如空位，是析出过程的重要驱动力。这些点缺陷不仅影响材料的力学性能，还在析出相的形成过程中起到了关键作用。通过LSP诱导的高应变率变形，可以生成高密度的空位，这些空位在后续的时效过程中成为析出相形成的驱动力。这种机制使得析出相能够在材料内部形成梯度分布，从而提升材料的整体性能。

在实际应用中，GSP结构的引入为高强铝合金的抗疲劳设计提供了新的思路。传统的表面处理方法虽然能够通过引入残余压应力和改善表面完整性来提升材料的抗疲劳性能，但其效果往往受到微结构调控的限制。相比之下，GSP结构通过微结构的梯度调控，实现了更全面的性能提升。这种结构不仅适用于不同系列的铝合金，还能够应用于大型、几何复杂部件，展现出广泛的工程应用前景。

GSP结构的形成过程涉及多个关键步骤，包括溶液处理、自然时效和激光冲击加工。在溶液处理阶段，样品被加热至适当的温度，以确保合金元素的均匀固溶。随后，样品在自然时效条件下放置4天，以获得一定的硬度并减少梯度变形带来的宏观变形。自然时效过程中，样品的微观结构会经历一定的变化，这些变化为后续的激光冲击加工提供了基础。激光冲击加工通过高能激光束在材料表面产生强烈的冲击波，诱导超高速应变率变形，从而生成梯度亚晶和高密度空位。这些空位在后续的时效过程中成为析出相形成的驱动力，引导析出相在材料内部形成梯度分布。

在激光冲击加工过程中，超高速应变率变形是关键因素之一。这种变形方式能够显著提高材料的应变硬化能力，同时减少动态回复的发生。高密度空位的生成不仅增强了材料的内部摩擦特性，还为析出相的形成提供了必要的驱动力。通过多次LSP与自然时效的组合处理，可以确保析出相的持续形成，从而进一步提升材料的抗疲劳性能。

GSP结构的形成不仅依赖于LSP和自然时效的协同作用，还涉及到材料内部的微观机制。例如，亚晶网络和析出相的相互作用可以重新配置位错行为，使其从交叉滑移转变为平面滑移。这种转变有助于稳定循环硬化，并提高材料的内部摩擦特性。此外，析出相的分布可以有效抑制位错的聚集，从而减少局部塑性应变的积累，进一步延缓裂纹的萌生和扩展。

在实际应用中，GSP结构的引入为高强铝合金的抗疲劳设计提供了重要的理论支持和实践指导。通过这种结构，材料能够在高周次疲劳条件下表现出优异的抗疲劳性能，同时保持其强度和延展性的平衡。这种平衡是材料设计中的重要目标，因为过高的强度往往伴随着较低的延展性，而过高的延展性则可能影响材料的强度。因此，GSP结构的出现为解决这一矛盾提供了新的解决方案。

GSP结构的形成和应用还涉及到多个技术层面。例如，激光冲击加工的参数优化是确保结构形成的关键因素之一。不同的激光能量、脉冲宽度和重复频率会对材料的变形和缺陷生成产生不同的影响。因此，在实际应用中，需要根据具体的材料特性和应用需求，对这些参数进行精细调整，以获得最佳的结构和性能。

此外，GSP结构的形成还需要考虑材料的时效过程。低温时效不仅能够促进析出相的形成，还能够确保析出相的均匀分布。通过控制时效时间和温度，可以进一步优化材料的性能。同时，时效过程中析出相的演变也对材料的力学性能产生重要影响，因此需要对这一过程进行深入研究和分析。

在实际工程应用中，GSP结构的引入不仅提升了材料的抗疲劳性能，还为材料的设计和制造提供了新的思路。通过这种结构，材料能够在复杂的应力环境下保持较高的机械稳定性，从而延长其使用寿命。这种结构的广泛应用前景，使得其在航空航天、轨道交通等关键领域具有重要的应用价值。

综上所述，GSP结构的形成和应用为高强铝合金的抗疲劳设计提供了新的解决方案。通过结合“溶液-梯度变形-时效”三步工艺，研究人员成功地在铝合金中引入了梯度亚晶和纳米析出相，从而显著提升了材料的循环稳定性。这种结构不仅在力学性能上表现出色，还为材料的工程应用提供了重要的理论支持和实践指导。未来，随着材料科学和制造技术的不断发展，GSP结构有望在更多领域得到应用，为材料的性能提升和寿命延长提供新的途径。