第二相颗粒对7075铝合金延展性能的影响：晶格旋转与配位变形

《Journal of Alloys and Compounds》：Size effects of second-phase particles on the ductile behavior in 7075 aluminum alloy: Lattice rotation and coordination deformation

调整退火参数调控7075铝合金中第二相粒子尺寸与分布，发现细小η相粒子（晶格旋转4°-5°）激活多滑移系提升延展性至23.2%，而粗大S/T相粒子（旋转10°-20°）导致变形区，降低延展性，揭示了粒子尺寸、晶格旋转与滑移激活的协同机制。

　　7075铝合金因其优异的强度和低密度，广泛应用于航空航天和汽车工业。然而，在常温下，其塑性表现一直是研究的热点，尤其是在需要复杂成型的场景中。通常认为，经过固溶处理和峰值人工时效（T6）的7075铝合金虽然具备高强度，但其常温下的延展性较差，限制了其在制造复杂高精度零件中的应用。相比之下，O-temper（退火态）7075铝合金由于具备良好的常温塑性，常被用于室温成型。然而，O-temper铝合金的塑性机制仍不明确，这使得对其变形行为的研究显得尤为重要。

O-temper铝合金的热处理过程涉及将材料加热至再结晶温度以上，保持一段时间后缓慢冷却至室温。这一过程使铝合金呈现出软化特性，其屈服强度较低，约为150 MPa，但常温下的延伸率可达到18%或更高。许多研究已探讨了影响O-temper铝合金常温延伸率的因素。例如，Hua等人指出，7xxx系列铝合金的高延伸率可能与其较高的加工硬化指数（n值）有关。Zhang等人则通过对比不同热处理状态（T6、T4、O）下的Al-Mg-Si合金发现，退火态铝合金的位错密度和临界分切应力（CRSS）最低，因此更小的剪切力就能引发更均匀的滑移，从而提高延伸率。这些研究从宏观层面分析了O-temper铝合金高延伸率的原因。然而，对于可热处理的铝合金，第二相粒子在常温下的塑性表现具有关键影响，它们通过阻碍晶格滑移和激活额外的滑移系统来改变材料的塑性特性。

在7075铝合金中，第二相粒子的种类和分布对塑性表现有显著影响。例如，David等人在研究7075铝合金-碳纳米管（CNTs）纳米复合材料时发现，添加1 wt%的CNTs可使延伸率从2%提升至4.5%。Li则指出，均匀分布的大尺寸T相粒子会阻碍滑移运动，并抑制滑移带的形成。Hua等人在研究退火态7075铝合金的常温塑性时发现，粗大的第二相粒子会阻碍晶格滑移，引发严重的晶格旋转，并在晶粒内部形成应变局部化区域。强烈的应力集中甚至会导致粗大第二相粒子的变形和断裂，最终降低铝合金的延伸率。Yang等人进一步指出，Al7Cu2Fe相粒子在基体中直接引发裂纹，作为脆性相存在，其高位错密度和强织构形成对材料的塑性表现产生负面影响。这些因素导致材料的延伸率下降至3.6%，揭示了粗大第二相粒子对铝合金延展性的不利影响。

除了上述第二相粒子，滑移系统的传输和晶间变形协调也是研究FCC（面心立方）合金延展性的重要因素。Yang等人发现，在Al-Mg-Mn-Er合金的变形过程中，主滑移系统与次滑移系统的交集可能导致位错堆积，阻碍晶格滑移，并引发晶格旋转。晶粒取向的错位可能形成滑移变形带。You等人在研究Al-Mg合金时发现，滑移系统之间的传输能力与滑移面的几何对齐和相邻滑移系统的激活兼容性密切相关。滑移系统的传输有助于晶粒间的协调变形，减少位错堆积和局部应力集中，从而延迟裂纹的形成并提高材料的延展性。在镁合金领域，研究人员也探讨了析出相如何影响滑移系统的激活和晶间变形协调。Li等人对GW103镁合金进行室温拉伸试验发现，变形协调因子m'能够有效反映晶粒在合金中的协调变形能力。在拉伸应变速率0.1 s?1的条件下，晶粒激活了更多的锥形滑移系统，从而在这些条件下提高了镁合金的室温延伸率，使其从2%提升至约10%。Deng等人在研究镁合金板材时也发现，细长的析出相促进了相邻晶粒中低Schmid因子锥形滑移系统的激活，这种非基面滑移系统的激活使得变形与周围晶粒的协调性更好，从而提高延伸率。

尽管已有大量研究关注第二相粒子对铝合金塑性表现的影响，但目前的理解仍不全面，特别是在晶格滑移和晶间协调变形方面，仍缺乏系统性的研究。因此，有必要对退火态铝合金的微观结构演变进行深入研究，以建立其对7075铝合金常温塑性影响的基础。本研究选择了商业化的7075铝合金板作为研究对象，其厚度为1.5 mm，主要化学成分为2.7 Mg-5.8 Zn-1.6 Cu-0.4 Si-0.5 Fe-0.2 Cr-0.3 Mn-0.2 Ti-(bal.) Al（wt%）。为了评估其机械性能，研究者从铝合金板上切割出标准拉伸试样，其尺寸如图1(a)所示。拉伸试样的纵向方向与原始轧制方向（RD）平行，以便于后续的观察和分析。

在本研究中，通过系统调整退火参数，如温度和时间，培养出不同尺寸的第二相粒子，并进行室温拉伸试验，以探讨其对7075铝合金延展性的具体影响。研究结果表明，经过380°C-3小时退火处理的样品表现出最高的延伸率（23.2%），这归因于细小的η相粒子在晶界处的均匀析出。这些粒子引发了轻微的晶格旋转（4°–5°），在晶界滑移转移的作用下，激活了额外的滑移系统。随着变形的进行，这些旋转逐渐发展为“旋转核心”区域，有效缓解了应变局部化，提高了延展性。相比之下，粗大的S相粒子和T相粒子则阻碍了位错运动，导致严重的晶格旋转（10°–20°），并形成“畸变区”，这些区域会降低晶间相容性，从而损害铝合金的延展性。本研究揭示了第二相粒子、晶格旋转和滑移激活之间的耦合机制，为设计高延展性的铝合金提供了关键的理论依据。

研究还采用了电子背散射衍射（EBSD）技术测量晶格取向，并通过扫描电子显微镜（SEM）观察和分析第二相粒子的分布特征及断裂形貌。本研究的创新点在于通过分析晶格旋转、滑移系统激活和变形协调因子，探讨高强7075铝合金在常温下的变形行为。研究重点在于探索第二相粒子与晶格旋转、滑移系统激活以及晶间协调变形之间的耦合机制，从而为优化设计具有高延伸率的铝合金提供新的理论支持。

此外，本研究还关注了第二相粒子在退火过程中的演变。对于可热处理的铝合金，析出相的特征受到多种因素的影响，其中化学成分是最关键的因素之一。Yuan等人指出，通过设计梯度Zn含量，可以优化Al-Zn-Mg-Cu合金中的多尺度铁含量析出相分布，其中8 wt%的Zn含量能够形成由细晶粒包裹的粗晶粒异质结构，这种结构实现了卓越的平均塑性应变比（r?）为0.708。其他因素包括退火温度和保温时间，以及冷却速率，这些因素会影响析出相的分布特征。在滑移过程中，不同尺寸和分布特征的第二相粒子对晶格旋转和滑移系统的激活产生不同的影响。然而，目前对第二相粒子如何影响铝合金延展性的机制仍不完全清楚，特别是在其对晶格滑移和晶间协调变形的影响方面，仍需进一步系统性的研究。

通过本研究，不仅能够系统地分析不同退火参数对7075铝合金微观结构和机械性能的影响，还能揭示不同特征的第二相粒子如何影响铝合金的变形行为。研究结果表明，细小的第二相粒子能够有效促进晶格旋转，激活额外的滑移系统，从而提高材料的延展性。而粗大的第二相粒子则会阻碍位错运动，导致严重的晶格旋转，并形成应变局部化区域，最终降低材料的延展性。这些发现为铝合金的优化设计提供了重要的理论依据，特别是在提高延展性方面。本研究还通过实验手段验证了这些理论假设，为未来的铝合金研究和应用提供了新的视角和思路。

综上所述，本研究通过系统的实验设计和分析，揭示了第二相粒子在7075铝合金中的关键作用，特别是在其对材料延展性的影响方面。研究结果不仅加深了对铝合金塑性机制的理解，还为开发具有更高延展性的铝合金提供了理论支持和实验依据。未来的研究可以进一步探索不同第二相粒子的分布特征对材料性能的优化潜力，以期在航空航天和汽车工业中实现更高效、更耐用的铝合金应用。