通过严重塑性变形引起的微观结构演变，在循环载荷作用下3105铝合金板材的断裂韧性得到了显著提高

《Journal of Materials Research and Technology》：Significant improvement in the fracture toughness of 3105 Al sheets under cyclic loading by microstructural evolution through severe-plastic deformation

本研究通过等温压缩沟成型（CGP）工艺，探究其对3105铝合金微结构、力学性能及断裂韧性的影响。实验表明，CGP导致晶粒粗化（平均尺寸从30μm增至50μm），但通过均匀分布细小Al6(Fe,Mn)Si析出相，并扩大裂纹尖端塑性区（最大增7倍），使断裂韧性提升40%（达19.15MPa·m?）。统计分析显示，冲压速度、温度、润滑剂、道次数、冷却速率和应变路径是关键影响因素，其中塑性区扩大和析出相均匀分布是提升断裂韧性的主因，该技术为高可靠性结构材料加工提供了新途径。

　　在当前的研究中，科学家们探讨了受限沟槽压延（Constrained Groove Pressing, CGP）对3105铝合金微观结构、机械性能和断裂韧性的影响，特别是在周期性载荷下的表现。通过光学显微镜和扫描电子显微镜（SEM）等技术手段，研究发现CGP过程导致了晶粒粗化，平均晶粒尺寸从30微米增加到约50微米，这主要归因于加工过程中较长的热暴露时间。同时，CGP有助于更均匀地分布更细小的析出相，从而改变了材料的微观结构特征。在断裂分析方面，观察到原始材料表现出混合的脆性-韧性断裂模式，而经过CGP处理的样品则主要呈现韧性断裂模式，表明材料在承受周期性载荷时表现出更强的抗裂能力。

机械测试结果表明，虽然CGP降低了材料的抗拉强度和屈服强度，但显著提升了材料的延展性和断裂韧性。研究指出，CGP处理后的材料的断裂韧性（K_IC）提高了约40%，达到了最大值19.15 MPa·m?，远高于未经处理的原始样品（13.60 MPa·m?）。这种断裂韧性的提升归因于在裂纹尖端形成的更大塑性区，这一区域有助于更均匀的应力分布，并且增加了材料在断裂过程中的能量吸收能力。研究还提到，CGP过程中的多个参数，包括压延速度、温度、润滑剂、压延次数、冷却速率和应变路径，对3105铝合金的断裂韧性具有一定的影响。通过设计实验（DOE）方法，研究者优化了这些参数，以最大程度地提高材料的性能和断裂韧性，为实际应用提供参考。

在样品制备方面，研究遵循了JIS Z 2201和ASTM E1820标准，以确保实验的可靠性。通过线切割技术，研究人员获得了具有精确尺寸和光滑边缘的样品。CT试验中，样品被预裂成0.6毫米的裂纹，并施加100-200牛的力，频率为20赫兹。裂纹生长通过光学显微镜进行观测，并结合力-裂纹扩展数据进行分析。研究还提到，裂纹扩展数据可以转换为力-裂纹扩展信息，以更准确地评估材料的断裂韧性。

研究进一步分析了CGP处理后样品的微观结构变化。通过EDS（能量色散X射线光谱）分析，发现样品中存在Al₆(Fe, Mn)Si和Al₆(Fe, Mn)等析出相。这些析出相在CGP处理后被粉碎并均匀分布在基体中，使得材料的裂纹扩展路径更加复杂，从而提高了断裂韧性。此外，研究还指出，CGP过程中的热处理和冷却速率对材料的延展性和断裂韧性有显著影响。高温处理可能促进晶粒粗化，但同时也提升了材料的塑性，这在一定程度上增强了其抗裂能力。快速冷却则可能限制晶粒粗化，从而影响材料的韧性表现。

通过统计分析，研究揭示了CGP操作中多个关键参数对断裂韧性的影响。这些参数包括压延速度、温度、润滑剂、压延次数、冷却速率和应变路径。研究者利用Minitab软件对实验数据进行了分析，并绘制了帕累托图（Pareto plots）和主效应图（main effect plots），以更直观地展示各参数对材料性能的影响程度。帕累托图显示，压延速度、温度和润滑剂对断裂韧性具有显著影响，而冷却速率和应变路径的影响则相对较小。主效应图进一步说明了各参数对材料性能的具体影响方向和程度，例如压延速度和温度对材料的屈服强度有正向影响，而冷却速率和应变路径则对延展性和韧性产生负面影响。

研究还指出，CGP过程中的应变路径选择对材料的断裂韧性有重要影响。90度交叉路径（low level）和180度传统路径（high level）分别代表不同的应变分布模式。交叉路径由于其更均匀的应变分布，被认为对材料的韧性有积极影响，但同时也可能在沟槽方向上产生微裂纹，从而降低其对断裂韧性的好处。相比之下，传统路径可能更有利于材料的整体性能提升，尤其是在裂纹扩展路径的复杂性方面。这种应变路径的差异，使得不同样品的断裂行为表现出显著的不同。

在裂纹扩展机制方面，研究发现CGP处理后的样品在裂纹尖端形成了更大的塑性区，这有助于减少裂纹尖端的应力集中，从而提高材料的断裂韧性。塑性区的扩大使得裂纹扩展所需的能量增加，从而增强了材料对裂纹扩展的抵抗能力。研究还提到，材料的韧性与断裂韧性之间存在一定的关联，但断裂韧性更依赖于材料的延展性而非强度。因此，尽管CGP可能降低材料的强度，但其对延展性的提升在整体上更显著地增强了材料的断裂韧性。

此外，研究还强调了析出相的分布和大小对材料性能的显著影响。在CGP处理后，析出相变得更加细小且均匀分布，这有助于改变裂纹扩展路径，增加裂纹扩展所需能量，从而提升材料的韧性。同时，析出相的存在还能通过限制位错运动，增强材料的结构稳定性，提高其抗裂能力。研究还指出，不同析出相的形成与材料的成分和加工条件密切相关，因此对这些因素的控制对于优化材料性能至关重要。

综上所述，CGP作为一种严重的塑性变形技术，能够有效提升3105铝合金的断裂韧性，同时改变其微观结构特征。通过优化加工参数，研究人员能够实现材料性能的最大化，使其在周期性载荷下表现出更强的抗裂能力。这一研究不仅为铝合金的加工技术提供了新的思路，也为相关工业应用中的材料选择和性能优化提供了理论依据和实践指导。未来的研究可以进一步探讨CGP技术在不同合金体系中的适用性，以及如何通过更精细的参数控制实现更高效的性能提升。