6061铝合金在低温变形诱导下的位错行为及亚微观结构演变

《Journal of Alloys and Compounds》：Cryogenic deformation-induced dislocation behavior and substructural evolution in 6061 aluminum alloy

本研究通过多尺度方法系统探究了6061铝合金在-196°C低温变形行为，发现低温抑制动态恢复与位错缠结，促进{111}滑移及位错分解，形成低位错密度网络，并伴随小角度晶界和晶格旋转，驱动几何驱动动态再结晶，形成片层状细晶。室温变形则以动态恢复为主，未显著细化晶粒。纳米压痕证实低温变形后硬度与塑性功吸收提升，原子模拟显示低温下位错更直且梯状位错比例减少，揭示低温变形通过位错调控提升塑性机制。

　　

赵子涵|易友平|黄世全|何海林|胡建良

中南大学轻合金研究所，中国长沙410083

摘要

本研究采用多尺度方法（结合电子背散射衍射（EBSD）、透射电子显微镜（TEM）、纳米压痕和分子动力学（MD）模拟），系统研究了6061铝合金的低温变形行为。结果表明，在-196°C下变形会抑制动态恢复和位错缠结，促进位错沿{111}面的滑移以及位错解离，从而形成密集、低缠结的位错网络。同时，低角度晶界（LAGBs）和晶核平均错位（KAM）的逐渐增加表明晶格持续旋转和亚结构演变，最终促进几何驱动的动态再结晶（GDRX）以及层状细晶的形成。相比之下，室温变形主要由恢复过程主导，晶格旋转较少，晶粒细化不明显。纳米压痕测试证实，低温变形后硬度提高，塑性功吸收增加。原子尺度模拟进一步显示，在-196°C下位错线更长、更直，1/6<110>阶梯状位错的比例降低，这与更平滑的平面滑移一致。这些发现建立了从位错到亚结构再到微观结构的层次关系，阐明了低温塑性增强的基本机制。这些发现为设计旨在提高精密铝合金部件性能的低温成形策略提供了理论指导。

引言

6061铝合金具有优异的比强度、耐腐蚀性和可成形性，是航空航天、精密光学和先进制造应用中的关键材料[1]。然而，在室温塑性变形过程中，由于位错移动性受限，6061铝合金常出现局部应变集中、滑移带形成和微裂纹萌生等现象，这些因素影响了变形的均匀性，从而降低了加工精度和长期结构可靠性[2]。虽然高温成形可以改善变形均匀性，但也会导致晶粒生长、动态恢复和软化，难以同时保持高机械性能和微观结构稳定性[3][4][5][6]。因此，传统方法往往无法满足轻量化、高承载组件的严格要求。

最近的低温变形实验（-60°C至-196°C）表明，6061铝合金不仅强度提高，而且延展性也显著改善[7][8]。这种强度和延展性的同时提升——通常称为“强度-延展性协同效应”——引起了广泛的研究兴趣[9]。例如，袁等人[10]开发了一种创新的铝合金薄壁结构低温成形技术，实现了大规模、超薄、高强度部件的制造。李等人[11]观察到低温能够抑制位错运动，减少位错缠结和积累，从而提高变形均匀性。卢等人[12]报告称低温变形促进了超细晶粒的形成。尽管这些研究主要关注晶粒尺度上的微观结构演变[13][14][15]（如位错密度增加[16]、晶界强化和孪晶形成[17][18]），但低温下位错萌生、滑移起始和早期相互作用的原子尺度过程仍不够明确。

位错形态、滑移模式和相互作用从根本上决定了塑性变形，而在低温条件下这些过程尤为敏感。在大应变下，高密度位错之间的相互作用常常掩盖了早期行为的细微细节[7][8][9][11][12][13][14][15][16][17][18]。为填补这一知识空白，本研究考察了低应变（例如2%和5%）下的变形过程，以捕捉位错萌生和早期滑移行为的细微变化。这种方法为建立位错动力学与晶粒级微观结构演变的跨尺度分析框架奠定了基础。

为了全面阐明6061铝合金在低温条件下的塑性增强机制，本研究结合了实验表征和模拟。通过电子背散射衍射（EBSD）和透射电子显微镜（TEM）系统地研究了2%、5%、10%、20%和40%应变水平下的位错密度、形态和滑移面活性演变。同时，对单晶铝模型进行了分子动力学模拟[19]，定量分析了位错线长度、形态和滑移激活特性。这种综合方法揭示了位错运动与塑性变形之间的内在关系。通过将实验观察结果与模拟结果相结合，我们阐明了6061铝合金在低温下塑性增强的基本机制，并为优化低温成形工艺和推进高精度制造技术提供了坚实的理论基础。

部分内容摘录

材料与样品制备

本研究使用的材料是由中南大学提供的超高纯度Al–Mg–Si铸锭，其成分分别为0.91 wt% Mg、0.55 wt% Si、0.29 wt% Cu和0.03 wt% Fe。铸锭经过均匀化退火和高温锻造，以消除铸造缺陷并提高均匀性。随后，将锻造块在560°C下进行固溶处理2小时，并水淬，以制备用于变形测试的初始材料。主要微观结构通过扫描电子显微镜进行了表征

位错结构的TEM分析

在低应变（2%和5%）下的详细TEM观察显示，低温变形与室温变形下的位错行为存在显著差异。图3表明，在2%应变时，室温样品由于热激活而表现出快速的位错增殖和缠结[22]；而在-196°C下，位错密度较低，平面滑移更为清晰。在-196°C下，位错优先在{111}面上滑移，形成长而直的位错

讨论

基于我们之前的研究：(i) 从25°C到-196°C的6061铝合金温度系列，以及不同的预处理状态[27]；(ii) 一项阐明Al–Mg–Si合金中滑移模式转变和动态恢复/交叉滑移抑制的超低温压缩研究[24]；(iii) 不同退火状态下的Al–Cu–Li合金的室温与低温成形对比[30]——低温变形始终表现出较高的流动应力/硬度、增加的位错储存等特征

结论

本研究采用多尺度方法（结合TEM、EBSD、纳米压痕和分子动力学模拟），系统研究了6061铝合金的低温塑性变形行为。主要发现如下：

低温变形显著提高了6061铝合金的机械性能。与室温变形相比，在-196°C下处理的样品表现出更高的硬度、更大的塑性功吸收

未引用的参考文献

[32]

CRediT作者贡献声明

何海林：研究工作。黄世全：写作——审稿与编辑、资源准备。易友平：资源准备、研究工作。赵子涵：写作——初稿撰写、监督、方法学设计、研究工作、数据分析、概念构建。胡建良：写作——审稿与编辑。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能影响本文工作的财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（项目编号52375398）和湖南省十大重点科技攻关项目（项目编号2023GK1060）的财政支持。作者还感谢中南大学高性能计算中心提供的计算支持。此外，中南大学研究生自主探索与创新计划也提供了额外资助