通过应力时效与人工时效相结合的处理方式，研究了Al-10Zn-3Mg-2.5Cu合金的微观结构演变及其力学性能

《Materials Chemistry and Physics: Sustainability and Energy》：Microstructural evolution and mechanical properties of an Al-10Zn-3Mg-2.5Cu alloy processed by stress-aging coupled artificial aging

应力时效对Al-10Zn-3Mg-2.5Cu合金微观结构和力学性能的影响及其人工时效协同效应研究。通过施加135-450MPa应力时效，发现高应力（≥270MPa）促进位错增殖和晶界析出物重构，形成纳米级ε-CuZn4相，经人工时效后实现强度（700MPa）与延展性（9.1%）的协同优化，揭示了应力诱导析出相与位错互作机制。

　　### 深度解析：应力时效对Al–10Zn–3Mg–2.5Cu合金微观结构与力学性能的影响

Al–Zn–Mg–Cu合金因其优异的强度与韧性，成为航空航天与交通运输领域不可或缺的结构材料。这些合金的高强度主要来源于在时效处理过程中形成的纳米级MgZn?（η相）沉淀物，而其韧性则依赖于合金的晶粒结构与沉淀物的分布。然而，传统的时效处理方法在提升强度的同时，往往难以兼顾韧性，导致材料在高强状态下表现出较低的延展性。为此，研究者们不断探索新的工艺手段，以期在保持高强度的同时，进一步提升合金的延展性。应力时效（Stress Aging Treatment, SAT）作为一种新兴的材料处理技术，通过在时效过程中施加外部应力，对合金的微观结构进行调控，从而实现强度与韧性的协同优化。

本研究聚焦于Al–10Zn–3Mg–2.5Cu合金，通过在120℃下对样品施加135–450MPa的应力进行时效处理，系统分析了应力对合金沉淀物特性、晶粒结构、位错演化以及力学性能的影响。研究结果表明，应力时效显著提升了合金的抗拉强度，最高可达700MPa，但其延展性却受限于3.7%–5.4%。随后，将应力时效后的样品进行人工时效处理（140–160℃），使得合金的强度与韧性实现了显著的协同增强，其中施加270MPa和450MPa应力时效的样品，在人工时效后分别达到了9.1%和6.5%的延展性，同时保持了700MPa的抗拉强度。这一发现表明，应力时效与人工时效的结合能够开辟出不同于传统η相演变的新路径，为高强铝合金的制备提供了重要的理论依据。

#### 应力时效的机制与效果

在应力时效过程中，外部应力对合金的沉淀物形成与演化产生了显著影响。当施加应力时，材料内部的位错密度和分布发生改变，位错的增殖成为主导的强化机制。例如，在270MPa的应力条件下，位错数量显著增加，形成了位错环和位错墙等结构，这些结构有效阻碍了位错的运动，从而提升了材料的强度。然而，高应力的引入也导致了晶粒的粗化和沉淀物的尺寸变化，进而对材料的延展性产生了不利影响。研究发现，在450MPa的应力条件下，晶粒尺寸从17.4μm增加到38.6μm，同时沉淀物的尺寸也有所变化，从初始的24.1nm增长到20.1nm，这种非单调的变化模式表明，应力对沉淀物的形成和演化具有复杂的调控作用。

通过电子背散射衍射（EBSD）和透射电子显微镜（TEM）的联合分析，研究者发现，应力时效对晶界沉淀物（GBP）和晶内沉淀物（IP）的分布和形态产生了显著影响。在较低应力条件下（如135MPa），GBP呈现出连续分布，而随着应力的增加（如270MPa和450MPa），GBP逐渐变得细小且分布不连续。这种变化模式与应力对晶界处溶质原子的迁移和聚集方式密切相关。此外，IP的尺寸在不同应力条件下也表现出明显的非单调变化趋势，从初始的5.5nm减少到4.2nm，随后又恢复到5.4nm，最终在450MPa应力条件下增长至9.2nm。这些变化表明，应力对沉淀物的形成和演化具有双重作用，一方面促进了位错的增殖，另一方面也影响了溶质原子的分布和迁移路径。

#### 人工时效的协同作用

尽管应力时效显著提升了合金的强度，但其延展性仍然受限。为了进一步优化合金的力学性能，研究者将应力时效后的样品进行人工时效处理，即在140–160℃下进行5–15小时的时效。结果显示，人工时效不仅保持了合金的高强度，还显著提升了其延展性。例如，在270MPa应力时效后，经过10小时人工时效的样品（S2P2）其延展性从3.7%提升至9.1%，而在450MPa应力时效后，经过10小时人工时效的样品（S3P2）其延展性从5.4%提升至6.5%。这种强度与韧性的协同增强表明，人工时效在应力时效后的材料中起到了重要的补充作用。

通过TEM和高角环形暗场扫描透射电子显微镜（HAADF-STEM）的分析，研究者进一步揭示了人工时效后材料中形成的ε-CuZn?相。这种相的形成受到高合金化与位错效应的共同促进，其尺寸和分布模式与传统的η相有所不同。ε-CuZn?相不仅能够有效抑制η相的粗化，从而保持材料的高强度，还能通过捕获和积累位错，显著提升材料的延展性。这一发现为高强铝合金的制备提供了新的思路，即通过应力时效与人工时效的协同作用，实现对沉淀物类型的调控，从而优化材料的力学性能。

#### 位错与沉淀物的相互作用

在应力时效过程中，位错的增殖与沉淀物的形成密切相关。研究发现，在低应力条件下，位错的增殖主要通过溶质原子的扩散和沉淀物的形成来实现，而在高应力条件下，位错与沉淀物之间的相互作用更加显著。例如，在270MPa的应力条件下，位错与沉淀物之间的相互作用促使沉淀物的形成，同时抑制了位错的运动，从而提升了材料的强度。而在450MPa的应力条件下，位错的密度进一步增加，形成了更复杂的位错结构，如位错环和位错墙，这些结构在人工时效过程中被进一步优化，从而提升了材料的延展性。

通过分子动力学（MD）模拟，研究者进一步验证了位错与沉淀物之间的相互作用机制。模拟结果显示，ε-CuZn?相在应力时效后的材料中具有较高的位错捕获能力，能够有效限制位错的运动，从而提升材料的延展性。相比之下，传统的η相虽然具有较高的强度，但其位错捕获能力较弱，导致材料在高强状态下表现出较低的延展性。这一发现表明，通过调控沉淀物类型，可以实现对位错行为的有效管理，从而优化材料的力学性能。

#### 未来展望与应用前景

本研究的成果为高强铝合金的制备提供了重要的理论支持和实践指导。通过应力时效与人工时效的协同作用，可以有效提升合金的强度与延展性，突破传统工艺的局限。未来，研究者可以进一步探索不同应力条件下的沉淀物演化机制，以及如何通过优化时效参数，实现更高效的强度与韧性协同提升。此外，还可以研究不同合金成分对应力时效效果的影响，以期开发出更多具有优异性能的高强铝合金。

总之，应力时效作为一种新型的材料处理技术，为高强铝合金的制备提供了新的可能性。通过深入研究应力时效与人工时效的协同作用，可以有效提升合金的强度与延展性，满足航空航天和交通运输领域对高性能材料的迫切需求。这一研究不仅丰富了铝合金的加工理论，也为实际工程应用提供了重要的技术支持。