细晶2219铝合金冲击诱导强化的微观机制与性能调控

为解决航空航天用铝合金在高应变率冲击下强度下降及绝热剪切带(ASB)形成机制不明的问题，研究人员通过热机械处理细化2219铝合金晶粒至18 μm，系统研究了4857 s-1和5463 s-1应变率冲击下硬度、织构与θ'相演变的耦合作用。发现ASB区域因位错密度提升与纳米析出相富集呈现反常强化，首次建立考虑管道扩散的圆盘状析出相粗化模型，为抗冲击铝合金设计提供新思路。

　　

在航天器遭遇太空碎片或车辆发生碰撞时，铝合金构件常承受每秒数千次的剧烈冲击。传统认知认为，绝热剪切带(ASB)作为高应变率变形的典型特征，往往是材料失效的前兆。然而关于ASB区域硬度变化的争议持续存在——部分研究显示其硬度高于基体，另一些则得出相反结论。这种矛盾现象的核心在于，以往研究多聚焦宏观力学性能，却忽视了纳米级析出相与晶体织构的协同演化机制。

广西某研究团队在《Materials Science and Engineering: A》发表的研究，选择航天常用2219铝合金为对象，通过创新的热机械处理将晶粒尺寸从181 μm细化至18 μm。利用分离式霍普金森压杆(SHPB)装置实施3419-5463 s^-1应变率冲击，结合电子背散射衍射(EBSD)和透射电镜(TEM)等多尺度表征手段，首次揭示了冲击过程中θ'相(Al₂Cu析出相)的时空分布规律与ASB强化机制的内在关联。

材料与方法
研究采用20 mm厚2219-T87铝合金板材，经热轧-固溶-时效处理获得T6态试样。通过SHPB实现可控应变率冲击，利用显微硬度仪测试不同区域硬度分布。采用EBSD分析晶粒取向演变，TEM观察析出相形貌，并建立考虑管道扩散的圆盘状析出相粗化模型。

应力-应变曲线
动态冲击测试显示，细晶合金的屈服强度在3500 s^-1前随应变率提升而增长，但在5463 s^-1时出现反常下降。这种"先升后降"的非单调变化与ASB形成导致的局部软化有关，但令人意外的是ASB内部硬度反而比基体高出15%。

温度场与析出相演化
计算表明5463 s^-1冲击时局部温度可达217°C，促使θ'相通过管道扩散快速粗化。TEM定量统计发现，ASB边缘区域析出相数密度达1.2×10⁴ μm^-3，显著高于基体的8.7×10³ μm^-3。建立的析出相粗化模型预测尺寸与实测值误差小于8%。

织构与位错演变
EBSD分析揭示<110>∥压缩方向的纤维织构随应变率增强，但在5463 s^-1时ASB内织构强度下降12%。位错密度整体呈上升趋势，但在ASB核心区因动态回复略有降低，这种特殊的梯度分布解释了硬度异常现象。

结论与展望
该研究突破性地发现：当应变率达4857 s^-1时，细晶2219铝合金通过织构强化、位错强化和析出强化的三重协同作用实现整体强化；而在更高应变率下，ASB区域因θ'相富集和位错重排产生局部超强化效应。提出的析出相粗化模型为预测冲击后材料性能演变提供了定量工具，研究结果对航天器防护结构和汽车防撞部件设计具有重要指导价值。未来工作可进一步探索多相铝合金在复杂应力状态下的冲击响应规律。