经过溶液处理的2219铝合金在液氮温度下的纯剪切行为和电性能

《Materials Chemistry and Physics》：Pure shear behavior and electrical performance of a solution-treated 2219 aluminum alloy at liquid nitrogen temperature

液氮温度下2219铝合金纯剪切行为及电性能研究表明，经固溶处理和退火处理的合金在低温下断裂负荷分别提升至9.41 kN和12.74 kN，电阻率增加至58.61 Ω·mm，微观结构显示晶粒细化与晶界密度增加抑制位错运动，有限元模拟验证了剪切失效机理。

　　

程旺军|梅月伟|文世一|尹远东|孙耀宁

新疆大学机械工程学院，乌鲁木齐，830017，中国

摘要

本研究对经过固溶处理的2219铝合金在液氮温度（LNT）下的纯剪切行为和电性能进行了实验研究。实验包括了纯剪切测试和有限元模拟（FEM）。在室温和LNT两种条件下评估了其剪切变形能力。从室温（AT）到LNT，退火状态下的试样断裂载荷从4.43 kN增加到9.41 kN；同样，固溶处理状态下的试样断裂载荷也从7.82 kN增加到12.74 kN。此外，抗裂纹扩展能力和塑性变形能力也得到了提升。从显微硬度结果来看，剪切区的显微硬度最高。尽管在低温环境下铝合金的显微硬度有所提高，但提高幅度并不显著。由于固溶处理，试样的平均显微硬度从70.12 HV提高到了122.73 HV。电阻率在低温环境下也有所改善，剪切区的电阻率从41.86 Ω·mm增加到58.61 Ω·mm。微观结构分析表明，在LNT变形过程中铝合金的晶粒细化程度提高，晶界密度增加，这阻碍了位错的运动，从而导致位错密度进一步增加。这些因素共同作用，使得合金的硬度、强度和电阻率均得到提升。此外，由于交叉滑移频率的增加，位错网络的增强进一步提高了合金的强度，并确保了其在LNT条件下的稳定塑性流动。

引言

2219铝合金是一种具有优异低温韧性、承载性能和加工性能的金属结构材料，广泛应用于火箭低温推进剂储罐的制造[1]、[2]。该合金属于面心立方结构，在低温下具有优异的塑性和应变硬化特性[3]。关于铝合金在低温下的严重塑性变形的研究大致可以分为以下几类：（1）力学性能和变形行为的变化[4]、[5]；（2）微观结构和变形机制[6]、[7]；（3）成形工艺，包括轧制、弯曲、深拉和等通道角压[8]、[9]、[10]、[11]。

通过低温和加工硬化可以调节铝合金的微观结构，从而改善材料性能[12]。不同的轧制工艺会导致不同的微观结构[13]。由于交叉累积轧合作用，晶粒尺寸减小，小角度晶界转变为大角度晶界[14]。经过严重塑性变形后，铸态铝合金转变为韧性较好的合金。这种转变主要归因于颗粒的均匀分布、颗粒尺寸的减小以及空隙的消除。使用等通道角压方法也研究了A390合金的力学性能，第三次ECAP处理后样品的极限抗拉强度（UTS）从142 MPa提高到了275 MPa[15]，同时耐磨性和硬度也显著提升[16]。铝合金在低温下的屈服强度和抗拉强度也有所增加。研究发现，6061-T6工字梁柱的极限抗压强度随温度降低而提高了7%[17]。剪切强度和剪切位移也有所增加[18]、[19]。通过低温轧制和热轧结合可以制备超细晶粒铝合金，同时沉淀物的密度增加，铝合金的强度也随之提高[20]。在严重塑性变形过程中，低温会抑制动态回复现象，导致位错密度增加，并在较高应变下形成超细晶粒[21]。由于铝合金在低温下的优异力学性能和成形性能，已经开发出了相应的低温成形工艺，如低温深拉工艺[22]、[23]。

已有大量关于铝合金剪切行为的报道。通过对6061铝合金进行拉伸剪切实验，研究发现剪切断裂应变随剪切应变速率的增加而减小[24]。为了研究不同焊接结构对低温剪切性能的影响，采用双激光束双向同步焊接工艺对2219铝合金进行了T形接头焊接，结果表明带有预加工法兰的T形接头在低温下的剪切强度提高了48.4%[25]。赵等人研究了采用双激光束双向同步焊接工艺制备的2219铝合金T形接头的剪切行为和断裂机制，发现剪切失效始于底部焊趾处[26]。剪切变形过程中出现的绝热剪切带与动态加载过程中的热积累和相应的热不稳定性密切相关[27]。等通道角压结合热处理工艺可以诱导剪切区内的沉淀物和团聚体优先分离，从而提高强度[28]。研究表明，低温和剪切行为的结合可以改善材料的力学性能。然而，以往关于铝合金剪切变形的研究主要在室温或高温条件下进行，其在低温下的剪切变形机制尚不明确。基于以上分析，研究2219铝合金在低温下的剪切行为具有重要意义。但目前关于热处理合金的剪切行为及其剪切后的电导率的研究较少，低温下热处理合金的剪切行为也缺乏相关研究。为了探讨低温下的剪切机制，还需要研究其硬度、强度、应变硬化行为和微观结构演变机制。

本研究分析了高强度2219铝合金在低温下的剪切变形行为和电性能。通过压剪试验和显微硬度测试，全面研究了其在室温和LNT条件下的纯应力状态下的变形行为，包括硬度、强度和应变硬化特性。同时，利用Deform-3D有限元模拟软件分析了不同温度下的应力与应变分布。这项研究为低温下铝合金零件的成形提供了理论支持。

材料

实验所用材料为退火状态的2219铝合金，其化学成分见表1。该合金被加工成带有直径6mm底部孔、深度3mm以及直径6mm上载荷区的试样[29]。试样如图1(b)所示。

实验程序

图2(a)分别展示了2219铝合金在室温和LNT条件下的剪切实验流程。样品分为两种状态：退火状态和固溶处理状态。

力学性能

图6展示了2219铝合金在室温和LNT条件下的力学性能。通过比较实验和模拟得到的载荷-位移曲线，验证了模拟结果的准确性。图6(a)中，模拟的剪切断裂载荷为4.58 kN，比实验结果高出3.39%；断裂距离为1.63 mm，比实验结果高出0.1 mm。图6(b)中，模拟的剪切断裂...

结论

本研究通过室温和LNT条件下的纯剪切实验，分析了2219铝合金在退火状态和固溶处理状态下的剪切性能和显微硬度变化。通过Deform-3D软件模拟不同条件下的剪切实验，分析了试样的剪切失效过程。这些结果为低温环境下2219铝合金零件的精密成形提供了重要的理论支持。

作者贡献声明

梅月伟：撰写——初稿、软件使用、数据整理。程旺军：撰写——审稿与编辑、资料收集、项目管理、方法论设计、资金申请。孙耀宁：指导、概念构思。尹远东：数据可视化、实验设计。文世一：数据可视化、实验实施

数据可用性声明

作者确认本研究中生成或分析的所有数据均包含在本文中。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（项目编号：52365052）和新疆维吾尔自治区高等教育机构本科教育教学改革项目（项目编号：XIGXJGPTA-2025002）的资助。