关于预拉伸和老化温度对Al-3.58Cu-0.89Li合金应力松弛行为及力学性能影响的研究

《Materials Science and Engineering: A》：Study on the effects of pre-stretching and aging temperature on the stress relaxation behavior and mechanical properties of Al-3.58Cu-0.89Li alloy

Al-3.58Cu-0.89Li合金的预拉伸（0%和5%）与时效温度（130°C、155°C、180°C）共同影响应力松弛行为和力学性能。155°C时效时出现独特的四阶段应力松弛，与GPI区溶解及θ'、T1相析出过程相关。预拉伸显著提高强度（130°C时屈服强度提升30.7%）和延展性（180°C时延展性达10.2%），残余应力差异最大达9.5 MPa。机制表明低温以加工硬化为主，中高温以T1相析出强化为主，微结构演变与应力松弛行为存在强关联性。

　　

郑文杰|向阳|傅强|袁华华

摘要：

本研究系统地探讨了预拉伸（0%和5%）和时效温度（130°C、155°C和180°C）对Al-3.58Cu-0.89Li合金应力松弛行为和力学性能的影响。时效温度显著改变了应力松弛特性：在130°C和180°C下观察到典型的两阶段松弛现象，而在155°C下则出现了明显的四阶段松弛现象。这种异常的四阶段行为归因于GPI区的有序溶解以及随后θ′相和T1相的析出，这一过程通过微观结构分析得到了证实。定量微观结构表征显示，随着时效温度从130°C升高到180°C，未变形试样中T1相的体积分数从2.39%增加到4.23%，而预拉伸试样中T1相的体积分数从0.89%增加到4.92%；在155°C以上GPI区完全消失。预拉伸加速了初始应力松弛速率并增强了松弛抗力，在180°C时这种效应尤为明显，27小时后预拉伸试样与未变形试样之间的残余应力差达到了9.5 MPa。从机制上讲，预拉伸增加了位错密度并促进了T1相的析出，同时抑制了其粗化。力学性能评估表明，预拉伸试样在所有时效温度下都表现出更优异的强度，屈服强度分别提高了30.7%、17.8%和4.2%。值得注意的是，在180°C下，预拉伸试样的伸长率（10.2%）也优于未变形试样（5.9%）。强化机制分析表明，在低温下主要是加工硬化作用，而在中高温下T1相析出强化作用占主导地位。本研究中建立的定量微观结构-性能关系为优化Al–Cu–Li合金的热机械加工提供了坚实的基础，从而提高了其松弛抗力和力学性能。

引言

长期以来，实现更高的比强度和降低密度一直是航空航天材料创新的主要目标[1]、[2]、[3]。目前，锂是已知最轻的金属元素；当添加1%的锂时，铝合金的密度可降低约3%[4]、[5]。因此，开发新的铝锂合金材料近年来一直是研究的重点领域[6]、[7]、[8]。第三代铝锂合金包括Al-3.58Cu-0.89Li合金，由于其出色的强度-延展性比和最小的各向异性，它成为飞机部件（包括整体机身结构部分）的首选材料[9]、[10]。固溶处理后的沉淀物溶解会降低材料的整体强度，而预变形和时效处理会改变溶质元素的沉淀行为，从而影响材料的最终性能。这两个过程对于控制Al-3.58Cu-0.89Li合金的性能至关重要。此外，这些处理对部件的合格率也有显著影响。例如，在铝合金零件的加工过程中，由于快速冷却会导致残余应力分布不均，变形问题仍然存在[11]、[12]。零件变形是由于初始应力和加工过程中切削工具引起的应力共同作用的结果，这迫使应力重新分布。因此，研究Al-3.58Cu-0.89Li合金在预变形和人工时效联合作用下的力学反应和应力松弛行为非常重要。

近年来，研究人员通过控制变形和相变硬化过程中的微观结构类型、大小和分布来提高铝锂合金的力学性能[13]、[14]、[15]。在铝锂合金中，沉淀物与位错之间的相互作用对于决定力学性能至关重要。主要沉淀物包括δˊ相、GPI区、T1相和θˊ相。其中，δˊ相和GPI区与铝基体完全相干，导致强化效果较差；θˊ相与基体保持半相干关系，但容易发生位错剪切，从而具有更好的强化效果；T1相具有较大的长宽比，最能阻碍位错滑移，使其成为铝锂合金中最理想的强化相[16]、[17]。研究人员设计了适当的工艺来最大化T1相的形成。例如，戴[18]和刘[19]证明，时效前的变形引入了足够的位错，降低了T1相的形核障碍并促进了其均匀析出。罗杰斯[20]及其同事证明，增加预变形可以有效抑制铝锂合金中位错结构的恢复，为T1相提供更密集和更均匀的形核位点，从而减少了单个沉淀物的生长空间。除了增加预变形外，控制时效温度也尤为重要。例如，熊[21]等人研究了时效温度范围对2195铝锂合金力学性能的影响，他们发现提高时效温度可以促进T1相的析出，从而增强沉淀强化作用。然而，大多数先前的研究仅孤立地考虑了各个加工因素对材料力学性能的影响，忽略了多个因素的协同效应。因此，需要更全面地了解合金在预应变和时效温度共同作用下的微观结构演变，以便精确控制其力学性能。

由于航空业的快速发展，消费者对特定部件的尺寸稳定性要求越来越高[22]、[23]。应力松弛时效是一种近年来在铝合金中广泛应用的新方法，该方法通过提高复杂部件的尺寸精度来降低废品率[24]、[25]、[26]。研究人员研究了合金中的应力松弛机制，以便更好地将应力松弛时效与实际生产相结合。为了预测合金中应力松弛的演变趋势，大多数研究致力于建立应力松弛模型。例如，齐[27]等人使用应力松弛指数研究了AA6082铝合金的应力松弛变形行为。在此基础上，李[28]及其团队建立了一种新的本构模型，用于预测2195铝锂合金的应力松弛模式。一些研究人员关注蠕变机制，例如张[29]等人研究了预拉伸对2195铝锂合金蠕变行为的影响，发现蠕变曲线呈现两阶段转变，位错阻碍程度是决定蠕变速率的关键因素。周[30]和王[31]等人的研究结果支持这一观点，但他们也强调不应低估沉淀对蠕变行为的影响。在应力水平变化或预拉伸程度不同的复杂条件下，上述研究一致报告了从快速蠕变到缓慢蠕变的单阶段蠕变现象。然而，最近在某些铝锂合金中观察到了两阶段蠕变现象，其背后的机制仍在研究中[32]、[33]、[34]。例如，徐[35]将这种两阶段蠕变现象归因于移动位错数量和溶质原子钉扎程度的变化。董[36]发现，两个阶段之间的蠕变速率变化与沉淀相的转变有关。周[37]提出，位错与T1相之间的相互作用是这一现象的根本原因。尽管这些研究为这一现象提供了实验证据，但它们不足以支持各自对两阶段蠕变机制的解释。此外，大多数研究仅考虑了单个加工因素对应力松弛行为的影响，而没有在实验设计中结合多个因素的综合作用。因此，加工条件、微观结构演变和应力松弛行为之间的关系尚未完全阐明。

总之，尽管对铝锂合金的沉淀硬化和应力松弛进行了大量研究，但温度、预应变、微观结构演变、力学性能和应力松弛行为之间的耦合关系仍不甚清楚。特别是，在预拉伸和人工时效共同作用下铝锂合金特有的两阶段应力松弛机制尚未完全阐明。因此，需要一项系统性的研究将微观结构演变与应力松弛行为联系起来。

在本研究中，对Al-3.58Cu-0.89Li合金进行了六种不同的处理，以研究其力学性能和应力松弛。使用了XRD、EBSD和TEM等多种表征方法来检查合金在固溶处理（ST）、预拉伸变形（PT）和应力松弛试验（SR）后的微观结构演变。然后根据微观结构数据分析了微观结构对增强和强化机制以及应力松弛机制的影响。

材料与应力松弛实验

Al-3.58Cu-0.89Li合金的主要化学成分由西南铝业提供，见表1。根据GB/T 10120-2013[38]、[39]标准，从原始坯料中切割出直径φ10 mm × 100 mm的圆柱形试样。具体尺寸如图1(a)所示。试样在应力松弛测试前依次进行了固溶处理（ST）和预拉伸（PT）。

应力松弛曲线

图2(a)显示了Al-3.58Cu-0.89Li合金在初始载荷100 MPa下不同时效温度下的应力松弛时间曲线。图中显示，经过27小时时效后，样品的残余应力（σr）随着时效温度的升高而总体呈下降趋势。比较在同一时效温度下不同预拉伸量的样品，发现预拉伸前的样品之间的残余应力差异不大。

应力松弛行为与机制分析

应力松弛是一种在恒定总应变下发生的粘弹性变形行为[span>$$，通常被视为多阶段蠕变过程。在外部温度和施加载荷的影响下，试样在加载过程中会发生塑性变形[span>$$和弹性变形[span>$$，从而导致材料微观结构的变化。随着$$的保持不变，$$逐渐转变为蠕变应变[span>$$。这些应变之间的关系可以

结论

通过对Al-3.58Cu-0.89Li合金进行不同的预拉伸变形和时效处理，并结合应力松弛测试、微观结构表征和力学性能分析，得出了以下主要结论：

(1)

时效温度显著影响应力松弛行为：在130°C和180°C时效后出现典型的两阶段松弛现象，而在155°C下出现四阶段松弛现象，这与相变（GPI区溶解）密切相关

作者贡献声明

袁华华：撰写 – 审稿与编辑，项目管理，资金获取。傅强：验证，监督，研究。向阳：验证，监督，研究。郑文杰：撰写 – 初稿，监督，研究，数据整理

数据可用性声明

目前无法共享重现这些结果所需的原始数据和处理数据，因为这些数据也是正在进行的研究的一部分。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。