通过优化梯度结构，在双轴应力作用下提高铝合金管的强度，同时不损失其延展性

《JOURNAL OF MATERIALS PROCESSING TECHNOLOGY》：Enhanced strength of aluminum alloy tubes under biaxial stress via optimized gradient structure without ductility loss

本研究提出室温液压胀形梯度微结构控制策略，通过石墨烯润滑表面机械喷丸制备6063-T4铝合金梯度管，实现强度提升120MPa（58%），保持延展性（极限等效应变0.189 vs 0.191）。梯度结构（表面120μm纤维晶+50μm层片晶+核心粗晶）与应变梯度协同诱导异质变形强化，析出物梯度分布抑制应变集中，显著提高断裂抗力，为轻量化航空汽车部件制造提供新方法及变形机制见解。

　　

作者：杨彩|段艳|崔晓蕾|梁振权|王浩

黑龙江科技大学材料科学与工程学院，哈尔滨150022，中国

摘要

对于液压成形的管状部件，传统的制造方法包括多步成形并配合热处理，这一过程复杂且难以控制；或者直接采用温热/热成形，但这可能导致晶粒过度粗化和微观结构减弱。为了解决这些问题，本文提出了一种室温下的微观结构控制策略，用于铝合金部件的液压成形。该策略首先通过表面机械抛光结合石墨烯辅助润滑技术制备出具有径向梯度结构的管材（GS管），然后在室温下进行液压成形。液压膨胀试验表明，优化后的GS管屈服强度提高了120 MPa，比其粗晶（CG）对应管材高出58%，同时保持了相当的延展性（极限等效应变：0.189 vs 0.191）。这种性能提升源于其独特的径向梯度微观结构：表层为120 μm厚的纤维状晶粒（FG）与非晶区域，中间层为50 μm厚的层状晶粒（LG），核心层为变形的粗晶（DCG）和普通粗晶（CG）。这种梯度结构的特点是表面附近晶内沉淀物（GIPs）密度较高，且GIPs的大小和密度随向核心逐渐减小。在液压膨胀过程中，GS管产生的等效应变梯度比CG管更陡峭。这种增强的应变梯度与微观结构梯度协同作用，促进了异质变形硬化，从而提高了载荷传递效率和应力重新分布能力。此外，GS管还表现出更优异的断裂韧性，这归功于FG层和LG层优异的周向变形能力、梯度分布的GIPs的钉扎效应以及连续的晶粒尺寸梯度对应变局部化的抑制作用。本研究提出了一种新型的室温下高性能管材液压成形微观结构控制策略，为航空航天和汽车行业的轻量化应用提供了新的思路，并为梯度结构材料的变形机制提供了基础性见解。

引言

6000系列铝合金因其优异的耐腐蚀性、高强度重量比和刚性，在航空航天和汽车领域得到广泛应用[1]。为了实现轻量化和高可靠性部件，整体结构逐渐取代了传统的多部件焊接组装[2]、[3]。管材液压成形能够制造出具有复杂截面的轻质铝合金部件，例如汽车副框架和火箭燃料管道，从而实现超过40%的重量减轻和可靠性提升[4]。然而，铝合金在室温下的相对较低强度和延展性限制了其进一步的应用。对于可热处理的铝合金，通常通过固溶-成形-时效序列来调节其性能，但大容量热处理炉存在温度均匀性差和控制精度低的问题，导致局部晶粒粗化、机械性能下降、变形不均匀和早期断裂。热气体成形也面临类似问题：铝合金的微观结构对热条件和应变率非常敏感[5]、[6]，复杂的应力-应变场容易引发过度粗化[7]，从而导致早期断裂。此外，热辅助成形能耗高且排放量大，这与绿色制造要求相悖。因此，迫切需要一种非热处理方法来强化液压成形的铝合金部件而不损失延展性。

梯度结构（GS）材料是一类具有优异机械性能的新型材料，包括出色的强度-延展性协同效应[8]、显著的应变硬化[9]、增强的抗断裂和抗疲劳能力[10]以及优异的耐磨性——这些性能在均质结构材料中较为罕见。由于这些独特优势，GS材料受到了越来越多的研究关注[11]、[12]。一个典型的例子是通过表面机械研磨处理制备梯度纳米晶粒Cu棒，从而在深度方向上形成晶粒尺寸梯度（20–300 nm）；这种方法使材料强度翻倍，同时保持了相当的拉伸延展性[13]。类似地，经过优化梯度的电沉积GS纯Ni样品的屈服强度提高了21%，均匀伸长率提高了19%，实现了最佳的强度-延展性平衡[14]。对于大多数铝合金，精心设计的梯度结构能够显著提高强度，同时对拉伸延展性的影响较小[15]、[16]。

尽管之前的梯度材料研究显示出了有希望的性能，但大多数研究仅限于单轴拉伸测试。在管材液压成形过程中，虽然通过壁厚产生了梯度应变场，但由于壁厚相对于管径和长度较小，这一效应常常被忽略[17]。实验表明，液压膨胀过程中壁厚内部会自然产生应变梯度，导致应变局部化和管内表面裂纹的产生[18]。然而，GS材料在这种梯度应变场下的力学行为尚未得到研究，相应的变形机制也不清楚。

为了解决上述问题，本文提出了一种室温下液压成形的微观结构控制策略。该方法首先通过表面机械抛光结合石墨烯润滑技术对铝合金管进行预处理，制备出6063铝合金（常用于汽车油管[19]），然后在室温下进行液压成形。通过管材液压膨胀试验评估了其机械性能。优化后的GS管在强度上得到了提升，而延展性没有损失。此外，GS微观结构中的复杂结构梯度与膨胀过程中产生的径向非均匀应变场相互作用，使得管材的膨胀行为、强化机制和塑性变形变得非常复杂。为了解决这些相互关联的问题，进行了系统的实验和机理分析。这项工作最终建立了一种通用的材料加工策略，通过室温下的梯度微观结构调控实现了同时成形和强化，从而缓解了热成形或大规模部件热处理过程中常见的关键缺陷（如粗晶和局部性能下降），为高性能部件的整体制造奠定了研究基础。

部分摘录

初始管材

使用市售的6063-T4铝合金挤压管作为原始管材，其标称外径为78 mm，标称壁厚为4 mm。化学成分（重量百分比）如下：98.15 Al、0.40 Si、0.35 Fe、0.10 Cu、0.10 Mn、0.60 Mg、0.10 Cr、0.10 Zr和0.10 Ti。定义了三个正交方向：径向（RD）、抛光方向（BD）和轴向（AD）。

单轴拉伸试验

图5展示了管材的单轴拉伸试验结果。图5a中的工程应力-应变曲线用于确定屈服强度、拉伸强度和极限等效应变，具体数据总结在表2中。在三组GS管中，只有GS-1120-W组的强度有所提高；然而，这伴随着延展性的降低。具体来说，其屈服强度提高了32%，拉伸强度提高了11%

结论与讨论

为了在室温液压成形过程中获得理想的成形性和铝合金管的机械性能，本文提出了一种使用梯度结构（GS）铝合金管的策略。主要结论如下：

(1) 6063-T4铝合金管经过石墨烯润滑下的表面机械抛光处理。液压膨胀试验表明，在特定转速下可以获得具有优异机械性能的GS管

作者贡献声明

杨彩：撰写 – 审稿与编辑、原始稿撰写、软件使用、方法论设计、研究资金获取、数据管理、概念构思。段艳：撰写 – 审稿与编辑、方法论设计、概念构思。崔晓蕾：撰写 – 审稿与编辑、资源协调、研究实施。梁振权：撰写 – 审稿与编辑、方法论设计。王浩：撰写 – 审稿与编辑、项目监督、项目管理、方法论设计、研究资金获取、概念构思。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

本研究得到了黑龙江省基础研究青年人才计划 [编号：YQJH2024213]、中国国家留学基金委 [编号：202208230130]以及新加坡教育部学术研究基金 [编号：A-8001225–00–00]的支持。