固溶处理及T84时效态2050 Al-Li合金拉伸-压缩不对称性的起源

《Materials Science and Engineering: A》：Origin of tension-compression asymmetry in solution-treated and T84-tempered 2050 Al-Li alloy

　　**摘要**本研究调查了2050 Al–Li合金在固溶态（W态）和T84时效态下的拉压不对称性（TCA）。沿轧制方向（RD）和法向方向（ND）进行了单轴拉伸和压缩试验。W态合金表现出压缩主导的屈服行为，而T84时效态合金则表现出拉伸主导的屈服行为。电子背散射衍射（EBSD）结果表明，W态下的TCA是由拉伸条件下的滑移传递和平面滑移与压缩条件下的滑移传递受抑制且位错缠结共同主导的。透射电子显微镜（TEM）和统计分析（≥300次事件）显示，拉伸条件下T?析出相的剪切主导（RD：77%，ND：59%），而压缩条件下绕基主导（RD：67%，ND：66%）。高分辨率TEM证实，拉伸条件下T?发生原子尺度的剪切（仅在{111}面上出现位移条纹），而压缩条件下发生37°扭转（{111}和{200}面上均出现条纹）。本文建立了将位错–晶界相互作用、析出相剪切/绕基及原子尺度变形与宏观TCA联系起来的统一模型，为Al–Li合金本构模型提供了实验基准。---**引言**承力的关键航空结构件，如机身蒙皮、机翼梁和火箭燃料箱，在服役过程中往往承受多轴复杂载荷，包括拉伸、压缩、弯曲和扭转[1, 2, 3, 4]。例如，机翼上蒙皮承受压缩应力，而下蒙皮承受拉伸应力；火箭燃料箱同样承受拉压循环应力。因此，材料必须在拉伸和压缩下均表现出优异的性能。然而，金属材料在拉伸和压缩下的力学响应往往存在显著差异，称为拉压不对称性（TCA）[5, 6, 7]。这种不对称性直接影响构件的承载能力和疲劳寿命。因此，深入理解其微观机理对于材料优化和工程安全评估至关重要。大量研究已证实TCA在各种合金体系中普遍存在，并从不同角度探讨了其微观起源。TCA的起源可分为三大类机制。第一类涉及位错–析出相相互作用。Yang等人[8]发现，在AA2219铝合金中，拉伸导致更高的位错密度并促进θ′析出，使抗拉强度高于抗压强度；压缩下位错密度较低，析出相取向更加随机，强度几乎不变。Chen等人[9]在Al–Cu–Li合金中观察到压缩下位错环密度更高，这既直接阻碍位错运动，又促进T?形核，从而降低压缩蠕变速率。第二类涉及晶界和孪晶界。Luo等人[10]报道，在纳米晶Al–Fe–Cr–Ti合金中，拉伸下位错快速累积导致脆性断裂，而压缩则抑制裂纹扩展。Li等人[11]表明，在柱状纳米孪晶Al–Fe合金中，面内加载沿晶界诱导剪切，而面外加载以位错活动为主，TCA比分别为1.5和1.1。第三类是滑移系统的选择性激活。Yin等人[5]发现，将Mg–Y合金中Y含量提高到5%后TCA方向反转，这归因于孪晶的抑制和锥面?c+a?滑移的增强。Zhang等人[12]定量测量了Mg–10Y在压缩下锥面滑移的临界分切应力（CRSS）约为拉伸下的三倍。类似地，Li等人[13]在原子尺度揭示锥面I ?c+a?位错分解为不对称的部分位错，导致压缩下核心收缩、拉伸下核心膨胀；Ni等人[14]统计表明，在时效态Mg–10Y板材中，压缩下锥面II ?c+a?与基面滑移的CRSS之比约为拉伸下的三倍，且滑移交互作用和几何必需位错（GND）密度也不对称。这些结果表明，滑移系统本身的内禀不对称行为即可成为TCA的重要来源。与上述合金相比，铝锂合金因密度低、比强度高以及复杂的时效析出行为，已成为TCA研究的新焦点[15, 16, 17, 18]。在Al–Cu–Li合金中，T?相（Al?CuLi）是主要的强化析出相，其形核高度依赖于位错[19, 20, 21, 22]。这一特性使合金的力学行为对初始位错状态和外加载荷方向极为敏感，为TCA提供了内禀的物理基础。近年来，Al–Li合金TCA的理解已取得进展。Li等人[23]发现AA2050的拉伸蠕变应变显著大于压缩蠕变应变，并观察到"双主蠕变"特征。Chen等人[9]报道，压缩下位错环密度增加促进T?析出，从而降低蠕变速率。然而，现有文献中仍存在以下不足：(1) 大多数研究聚焦于蠕变行为，缺乏对早期塑性应变（<5%）下滑移启动和位错构型演化的系统表征。(2) 不同热处理条件（固溶态与T84时效态）对TCA的影响尚不明确。固溶态下位错运动以溶质拖拽为主，而T84时效态下高密度的T?析出相显著改变了位错–析出相相互作用，两种条件之间的差异需要深入研究。(3) 拉伸和压缩下位错–晶界/析出相相互作用的差异缺乏直接实验证据，特别是沿轧制方向（RD）和法向方向（ND）的各向异性行为。(4) 电子背散射衍射（EBSD）与透射电子显微镜（TEM）的联合应用尚未在Al–Li合金TCA研究中被系统采用，滑移启动模式与位错–晶界/析出相相互作用之间的内在联系仍有待阐明。为弥补上述不足，本研究系统调查了新型2050 Al–Cu–Li合金在拉伸和压缩下的力学行为差异及其内在微观机理。主要内容如下：(1) 选取两种典型热处理条件——固溶态（W态）和T84时效态。沿RD和ND施加拉伸和压缩载荷，W态加载至塑性应变5%，T84时效态加载至2.5%，建立系统比较的基础。(2) 利用EBSD表征滑移系统激活、滑移迹线分布和晶内取向梯度演化，定量分析各滑移模式的相对活动度及其对应力状态和加载方向的依赖性。(3) 利用TEM观察位错构型和位错–晶界/析出相相互作用，揭示两种时效态下拉伸和压缩条件对位错行为和位错–析出相相互作用的调控机制。(4) 通过整合微观结构表征结果，本研究阐明了在不同热处理条件和加载方向下，滑移启动差异与位错–晶界/析出相相互作用不对称性如何共同主导Al–Li合金的宏观TCA。本研究旨在建立Al–Li合金微观结构演化与宏观TCA之间的内在联系，为其在复杂服役载荷下的工程应用提供理论指导，并为开发考虑TCA和各向异性的物理本构模型提供可靠的实验基准。---**章节摘要****2.1 材料与热处理**本研究使用的2050 Al–Li轧制板材由Constellium公司提供，状态为T84时效态。板材尺寸为2000 mm（长）× 1250 mm（宽）× 90 mm（厚）。通过光发射光谱法测得的实际化学成分见表1。T84时效态试样直接取自到货板材。固溶态（W态）条件通过对到货板材在515 °C保温1.5小时后水淬获得。**2.2 力学测试**（无内容）**3.1 真实应力–应变行为**图3和图4分别展示了W态和T84时效态2050 Al–Li合金沿轧制方向（RD）和法向方向（ND）在拉伸和压缩下的真实应力–应变曲线。相应的屈服强度（压缩屈服强度CYS；拉伸屈服强度TYS）和极限强度（压缩极限强度CUS；拉伸极限强度TUS）汇总于表2，同时还给出了表征拉压特性的SDE值。**4.1 热处理状态对拉压不对称性的宏观影响**真实应力–应变曲线（图3、图4）和强度数据（表3）表明，2050 Al–Li合金的拉压不对称性（TCA）强烈依赖于时效状态。已有报道指出2050 Al–Li合金的力学性能表现出显著各向异性，不同方向上的强度存在明显差异[28]。W态（固溶态）合金表现出压缩主导的屈服（RD：176.3 MPa vs. 163.5 MPa；ND呈现相同趋势）。**5 结论**本研究系统比较了W态和T84时效态2050 Al–Li合金沿轧制方向（RD）和法向方向（ND）在拉伸和压缩下的力学行为及其内在微观机理。主要结论如下：1. 宏观TCA强烈依赖于时效状态。W态合金表现出压缩主导的屈服（RD：CYS 176.3 MPa > TYS 163.5 MPa；ND：CYS 163.1 MPa > TYS 152.8 MPa），而T84时效态合金表现出……**6 CRediT作者贡献声明****胡利民：** 撰写——初稿、验证、方法论、调查研究、形式化分析、概念化。**史东风：** 撰写——审阅与编辑。**刘志林：** 监督指导。**石辰：** 监督指导、项目管理。**张金：** 监督指导、项目管理、基金获取。**利益冲突声明**? 作者声明不存在已知的可能影响本文工作的竞争性经济利益或个人关系。**致谢**本研究由基础研究计划（项目编号：JCKY2024203A002）资助。感谢匿名审稿人的建设性意见。---胡利民 | 张金 | 石辰 | 刘志林 | 史东风中南大学 轻合金研究院，长沙，410083，中国