2219铝合金热变形过程中单轴拉伸与平面应变加载状态下的量化微观组织演变

《Journal of Materials Research and Technology》：Quantified microstructural evolutions under uniaxial and plane strain loading states during hot deformation of 2219 aluminium alloy

　　

变形路径是影响热变形过程中微观组织演变及塑性流动行为的关键因素之一，然而能够定量比较不同变形路径下微观组织分布的相关研究仍属空白。本研究致力于阐明2219铝合金在单轴拉伸与平面应变拉伸条件下，于350–535 °C变形温度及0.15至断裂应变范围内的微观组织演变机制。研究人员通过对比主导微观组织参数，即几何必需位错(Geometrically Necessary Dislocation, GND)、低角晶界(Low-Angle Grain Boundary, LAGB)与高角晶界(High-Angle Grain Boundary, HAGB)等，采用数字图像相关(Digital Image Correlation, DIC)技术表征应变分布，并利用电子背散射衍射(Electron Back Scatter Diffraction, EBSD)表征与量化关键微观组织参数。结果表明，在0至0.15应变范围内，单轴与平面应变拉伸下GND与HAGB演变趋势相似，GND密度显著增大约319.7%，不连续HAGB增加约71.2%。与相同条件下单轴拉伸相比，平面应变拉伸下LAGB与HAGB平均生成量低2–3倍，归因于平面应变激活滑移系较少且位错增殖速率较低。单轴拉伸中产生显著不连续HAGB，表明其主导机制可能为连续动态再结晶(Continuous Dynamic Recrystallisation, CDRX)，而两种路径下均共存CDRX、不连续动态再结晶(Discontinuous Dynamic Recrystallisation, DDRX)与几何动态再结晶(Geometric Dynamic Recrystallisation, GDRX)。温度升高削弱单轴拉伸CDRX机制，却增强平面应变CDRX；应变增大会促进两路径CDRX发生。此外，平面应变拉伸断裂应变较低可能源于损伤形成。本研究针对单轴与平面应变拉伸给出了工艺参数对微观组织演变的定量评价，为未来本构模型构建及制造应用奠定基础。

研究背景与立项依据

2219铝合金因轻质、高强度、抗应力腐蚀及导热性优良，广泛用于航空航天、轨道交通与船舶制造中的大型薄壁构件热冲压成形，该类工艺多处于平面应力状态。既有文献对单轴拉伸流变行为、微观组织与本构模型积累较深，但缺乏热变形过程中位错密度、LAGB与HAGB的定量描述，且单轴应力状态难以反映平面应变约束下的组织演变。关于平面应变拉伸，前人虽涉及成形极限与力学响应，但对2219铝合金在高温下两路径微观组织参数的定量对比仍属空白。两个主要障碍在于：稳定热机械场装备缺失，以及EBSD前定性观察难以给出GND、不连续HAGB绝对量。研究人员依托自设计1400 °C非接触红外加热双轴试验台与高分辨EBSD，系统量化2219铝合金在350–535 °C、应变0.15至断裂下两路径组织演变，论文发表于《Journal of Materials Research and Technology》。

主要关键技术方法

研究人员从热轧2219航空航天级铝板截取单轴(β=-0.5)与平面应变(β=0)试样，β为应力状态参数β=(2σ₂-σ₁-σ₃)/[2(σ₁-σ₃)]。采用自设计热拉伸系统：伺服电缸驱动、非接触红外加热、热电偶负反馈控温，DIC(ARAMIS系统，4 Hz)记录标距全场应变；EBSD(Oxford Aztec，步长2 μm)提取标距中心组织，MTEX工具箱定义取向差≥15°为HAGB、2°–15°为LAGB，由晶格曲率张量计算GND密度；辅助TEM观察位错组态与SEM断口形貌。温度点取350 °C(动态回复)、450 °C(动态再结晶)、535 °C(固溶)，应变点取0.15、0.25与断裂。

研究结果

4.1 初始组织

初始平均晶粒约111.1 μm，HAGB占比约88.1%，GND密度约4.9×10¹² m^-2，作为后续对比基准。

4.2 DIC应变场演化

DIC显示两路径主应变随t/t_F增大而升、次应变降；平面应变中心等效应变峰值约0.4，350→535 °C增约14.3%；单轴同温等速下等效应变较平面应变更高(同温差最高约60%)，颈缩更明显，升温使单轴等效断裂应变增约72.9%，平面应变因孔隙损伤致断裂应变更低。

4.3 变形温度依赖(ε=0.25)

4.3.1 温度对组织影响：单轴出现沿拉伸方向择优取向，平面应变呈等轴随机；单轴晶粒尺寸450 °C达峰约158.9 μm，平面应变随升温由约142.8降至131.1 μm。

4.3.2 GND密度：单轴350→535 °C由约7.4×10¹³降至3.7×10¹³ m^-2(-50%)；平面应变由约2.5×10¹³微升至2.8×10¹³ m^-2，因单轴多滑移系激活、平面应变横向约束致Schmid因子高滑移系少。

4.3.3 LAGB与HAGB：单轴LAGB随升温降(585.7→377.6×10³ m^-1)，总HAGB降约41.2%(76.4→44.9×10³ m^-1)，不连续HAGB减少，CDRX被抑制；平面应变LAGB在535 °C较350 °C增约62.9%，总HAGB由37.1升至47.7×10³ m^-1，不连续HAGB增多，CDRX增强，并伴DDRX项链结构与GDRX锯齿晶界。

4.4 应变依赖(T=350 °C)

4.4.1 应变对组织影响：单轴晶粒随应变拉长，平面应变保持等轴；断裂时平面应变晶粒较单轴小约9.8%。

4.4.2 GND密度：ε=0.15两路径GND相近；ε>0.15单轴GND远高于平面应变(ε=0.25差约194.9%，断裂差约109.3%)。

4.4.3 LAGB与HAGB：两路径LAGB随应变增；单轴总HAGB先增后减(ε=0.25不连续HAGB达峰约38.9×10³ m^-1，断裂降至28.8×10³)，平面应变总HAGB先减后增(断裂受CDRX促增)，同应变下单轴HAGB生成量为平面应变2–3倍。

4.5 TEM与断口

ε=0.25单轴TEM见均匀位错胞与位错墙，平面应变位错稀疏局域堆积；450 °C断口单轴为等轴韧窝，平面应变见高密度细小微孔与撕裂棱，高应力三轴度促损伤累积致低断裂应变。

讨论部分总结

研究人员指出，单轴弱约束激活多滑移系、GND/LAGB/HAGB均匀高产，CDRX主导且升温抑制、应变促进；平面应变强约束滑移系少，低温组织演化迟缓，升温与应变增大方促GND累积与不连续HAGB上升，CDRX随温升增强，两路径均共存CDRX、DDRX、GDRX。GND与LAGB演化正向关联DRX，其密度门槛决定LAGB→HAGB转化与否。该定量框架弥补了热变形中组织参数跨路径对比缺失，为多维应力本构模型提供标定基础。

结论部分翻译

1. 1.
   小变形(ε≤15%)下单轴与平面应变GND均值相近，ε>15%平面应变GND显著更少，其LAGB与HAGB均值比单轴低2–3倍，表明平面应变激活滑移系少、位错增殖慢，单轴位错运动阻力低且缠结多。
2. 2.
   平面应变等效断裂应变较单轴低约1/4，主要归因损伤形成与合并，其饱和GND约2.4×10¹³ m^-2远低于单轴约9.4×10¹³ m^-2。
3. 3.
   两路径均共存CDRX、GDRX与DDRX；单轴CDRX更显著，LAGB约6.0×10⁵ m^-1、不连续HAGB约4.0×10⁴ m^-1，均超平面应变3倍；升温与增应变因锯齿晶界增多更促GDRX。
4. 4.
   升温对CDRX影响路径相反：平面应变不连续HAGB增约206.5%，单轴降约72.2%。