揭示2050年铝锂合金中的塑性各向异性：从滑移行为到断裂机制的转变

《Materials Science and Engineering: A》：Unraveling Plastic Anisotropy in 2050 Al-Li Alloy: From Slip Behavior to Fracture Mechanism Transition

塑性各向异性源于等效滑移系统数（ESSN）从RD到ND递减，导致RD协调变形与ND应变局部化及脆性裂纹扩展，建立晶体学织构到宏观断裂的全链机理。

　　

胡丽敏|张金|史松鑫|史晨|王国庆|史东风

中南大学轻合金研究院，长沙，410083，中国

摘要

高强度2050 Al-Li合金厚板中的塑性各向异性对航空航天结构的完整性构成了严峻挑战。本研究建立了一个从晶体结构到宏观断裂的完整力学链。我们证明了各向异性源于变形适应性的方向性转变，这一转变通过等效滑移系数（ESSN）定量表征，该数值从轧制方向（RD，4.32）显著降低到垂直于轧制方向的方向（ND，2.85）。这种梯度引发了滑移行为的根本性变化：在RD方向上，多滑移和有效的滑移传递使得材料能够均匀变形；而在ND方向上，由于滑移受阻，材料出现严重的应变局部化。关键的是，这种差异直接决定了断裂机制的转变。在RD方向上，协调的滑移行为结合锯齿状的晶界有效地阻碍了裂纹扩展；而在ND方向上，晶界和内部无滑移区域导致裂纹广泛萌生，直的晶界成为裂纹快速扩展的通道。因此，材料的延展性各向异性最终归因于从能量耗散型裂纹扩展模式（RD）向脆性、无阻碍型裂纹扩展模式（ND）的转变。本研究建立了从晶体结构到宏观断裂的完整力学链，为设计具有优异损伤容忍性的Al-Li合金提供了重要见解。

引言

航空航天行业对减重和性能提升的持续追求推动了高性能结构材料的不断发展。作为第三代Al-Li合金的代表，AA2050具有低密度（比传统铝合金低4%–6%）、高比刚度（每增加1 wt%的Li，刚度提高6%–8%）以及优异的损伤容忍性，使其成为飞机机身框架和翼梁等关键承重结构的理想材料[1]，[2]，[3]，[4]，[5]。这些部件通常由中等厚度的板材制成（厚度一般为20–150毫米），因此需要同时具备高强度、抗疲劳性和可成形性[6]。对于这类板材而言，垂直于轧制方向（ND）的性能在制造和使用过程中都至关重要。钻孔、铆接和机械加工等加工操作会施加穿透厚度的应力，而服役状态下的多轴应力则来源于紧固件、预载荷和二次弯曲。此外，包括抗分层性和断裂韧性在内的穿透厚度方向的损伤容忍性直接取决于ND方向的力学性能，是设计安全可靠的航空航天结构的关键标准。因此，理解ND方向的变形和失效机制对于可靠部件的设计和寿命预测至关重要。

这类板材在复杂多轴载荷下的使用安全性高度依赖于其性能的均匀性和可靠性。然而，AA2050的生产过程包括轧制、固溶处理、淬火、预变形和时效等多阶段热机械处理，这些过程会导致显著的各向异性[7]，[8]，这严重限制了其实际应用。这种各向异性表现为轧制方向（RD）、横向（TD）和垂直于轧制方向（ND）之间力学性能的显著差异[9]，[10]，以及厚度方向上的微观结构梯度[11]，[12]，[13]。这些不均匀性不仅增加了结构设计的复杂性，还促进了诸如耳状变形和回弹等成形缺陷，并可能在多轴应力作用下导致过早失效[14]。这种各向异性源于微观结构的异质性：(1) 强烈的晶体结构（如Brass{110}?112?、S{123}?634?和Copper {112}?111?）影响了不同方向上滑移系的激活，从而导致塑性各向异性[15]，[16]，[17]，[18]，[19]，[20]；(2) 沉积物（如T₁和θ'相）的非均匀空间分布，其形核和生长受到基体取向和局部应变场的调控，进一步加剧了强度差异[21]，[22]，[23]，[24]；(3) 加工过程中的厚度方向变形和热历史的梯度，导致晶粒形态、亚结构和沉淀物分布的变化[13]，[25]。

尽管已有许多研究探讨了Al-Li合金的各向异性——例如，El-Aty等人[9]强调了晶粒结构、纤维取向和沉淀物的作用；Chen等人[26]关注了晶粒形态和再结晶行为；Crooks等人[27]突出了晶粒取向和形态的主导作用；Zhang等人[28]指出了T₁沉淀物在老化合金中的作用；Kim等人[29]报告了T₁相的空间分布的影响；Cho等人[30]研究了晶粒形态和晶粒结构的影响——但大多数研究集中在薄板材的平面内（RD–TD）性能上。关于垂直于轧制方向（ND）的力学行为及其微观变形机制的研究仍然不足。这一知识空白在中等厚度板材上尤为明显，因为这些板材的厚度方向变形和断裂的动态过程、滑移传递行为及其对整体变形适应性的影响尚不清楚。此外，系统分析各向异性条件下的裂纹扩展路径和断裂行为也明显不足。

最近的研究揭示了晶界在多晶材料塑性变形中的双重作用[31]：晶界既可以作为位错运动的障碍，阻止滑移并促进晶间应变集中，也可以促进晶界间的滑移传递，从而实现晶间变形并缓解局部应力。Zong等人[32]使用原位EBSD技术在Al–Mg合金中表明，滑移是否能够穿过晶界显著影响应变局部化和裂纹起始路径，滑移受阻时更容易引发裂纹。Alizadeh等人[33]进一步提出，在纯铝中可以通过几何参数（如Luster–Morris参数和残余Burgers矢量）预测滑移传递，建立了晶界滑移透明性的定量标准。这些发现突显了滑移系激活和晶界滑移传递在塑性应变适应和损伤演化中的关键作用。然而，对于多方向载荷下的Al-Li合金——尤其是中等厚度板材——不同方向上的滑移行为各向异性、相关的晶界（GB）适应性及其对应变局部化和各向异性裂纹扩展路径的综合影响仍缺乏足够的研究。传统的离体方法无法实时捕捉滑移活动的动态顺序、应变局部化和微裂纹演化。

为了解决这一空白，本研究采用了准原位扫描电子显微镜（SEM）和电子背散射衍射（EBSD），结合多方向拉伸试验，系统地解析了AA2050板材从微观力学到断裂的机制链。我们特别关注滑移行为的各向异性、晶界变形适应性以及RD、TD和ND方向上的断裂机制。本研究旨在建立各向异性损伤演化的力学理解，为设计具有更好性能均匀性的Al-Li合金奠定基础。

实验材料

本研究使用的2050 Al–Li合金板材由Constellium公司提供，经过T84时效处理，厚度为92.3毫米。图1a展示了板材的尺寸示意图。图1b显示了材料在RD–TD、TD–ND和RD–ND平面上的EBSD取向图。化学成分通过光发射光谱法测定，详见表1。

拉伸试验

拉伸试验在室温下使用CMT5105GL试验机进行，保持恒定的横梁速度

力学性能和断裂表面的各向异性表征

T84时效处理的2050合金在RD、TD和垂直于轧制方向（ND）方向的拉伸应力-应变曲线及相应的力学性能如图4和表2所示。结果表明，RD方向的强度和伸长率最高，而TD方向的性能相对较低。相比之下，ND方向的强度和延展性最低，证实了明显的力学各向异性。为了定量评估这种各向异性，

各向异性应变演化：从均匀变形到局部变形

为了研究T84时效合金在不同方向上的拉伸变形过程中的微观应变演化，进行了电子背散射衍射（EBSD）分析，其核平均错位（KAM）结果如图9所示。KAM值定性地反映了局部塑性应变的程度。为了确保统计结果的可靠性，每种变形条件和方向至少分析了三个代表性区域；放大视图显示

结论

本研究通过对T84时效处理的2050 Al–Li合金中等厚度板材进行多尺度表征，得出了以下主要结论：

1.

明显的塑性各向异性与RD、TD和ND方向上的变形适应性转变密切相关，这种转变由强烈的轧制晶粒结构决定。这通过等效滑移系数（ESSN）定量表征，该数值从RD方向的4.32降低到TD方向的3.98，再到ND方向的2.85。低ESSN值

作者贡献声明

史东风：研究监督、方法学设计。王国庆：项目管理、资金获取。史晨：研究监督、资金获取。史松鑫：资源协调、资金获取。胡丽敏：撰写——审稿与编辑、初稿撰写、数据可视化、验证、方法学设计、研究实施、数据分析、概念构建。张金：研究监督、资源协调、项目管理、资金获取

利益冲突声明

? 作者声明他们没有已知的可能会影响本文研究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：U21B6004）、国家重点研发计划（项目编号：2020YFA0711104）以及湖南省重大科技创新项目（项目编号：2021GK1040）的财政支持。作者还感谢与上海飞机设计研究院（COMAC）的合作项目。作者使用了Deepseek的AI模型进行语言润色