研究等温退火Al–Cu–Mg合金的微观结构与织构演变对其力学性能和电学性能的影响

《Journal of Alloys and Compounds》：Investigation of microstructure and texture evolution influencing the mechanical and electrical properties of isothermally annealed Al–Cu–Mg alloy

Al-Cu-Mg合金在280-400℃等温退火过程中，通过微结构表征与织构分析发现：280℃时Brass与Brass55孪生取向发生互变并形成亚微米级孪晶界（SMTBs）；400℃时首次检测到{313}、{314}取向的SMTBs，与{001}立方取向晶粒共存。关联映射显示280℃（2-10min）、360℃和400℃（2-60min）下，立方晶界占比与强度呈正相关，∑3孪晶界与电导率同步演变。研究揭示了多尺度织构调控对机械性能与电学性能协同优化的机理。

　　

陈泽业|莫阳|陈华标|沈芳华|姜福林|滕杰

湖南大学材料科学与工程学院，中国长沙410082

摘要

在铝合金中同时提高强度和电导率（EC）一直是一个长期存在的挑战，因为强化机制通常会恶化电子传输。本研究采用了一种综合定量方法，结合微观结构表征、织构分析和相关性映射，来阐明等温退火（分别在280°C、360°C和400°C下，保持不同时间）如何调节Al–Cu–Mg合金中织构和孪晶界的耦合演变。结果表明，在280°C退火过程中，Brass晶型与其{φ?=55°, φ=90°, φ?=45°}的孪晶取向之间发生了相互转化，同时形成了亚微米级的孪晶界（SMTBs）。在400°C退火的后期阶段，首次在{313} <3-2-2}、{314} <-221>和{314} <-3-44>取向的晶粒中观察到了残留的亚微米级孪晶界（SMTBs），而相邻的{001} <-1-30>和{001} <-100>（接近立方织构的晶粒）则没有这种特征，这表明存在一种同轴反向旋转（孪晶松弛）机制。相关性分析显示，在280°C退火2-10分钟，以及在360°C和400°C退火2-60分钟后，立方晶界比例和拉伸强度呈正相关；而∑3孪晶界与电导率则表现出平行演变和正相关。这些发现为铝合金多性能的协同调控提供了新的研究视角。

引言

2XXX（Al–Cu–Mg）系列铝合金是一种典型的固溶强化体系，具有高强度、良好的成型性、优异的加工性能和卓越的疲劳抗力，因此在航空航天领域得到广泛应用[1]、[2]、[3]、[4]、[5]。在新能源汽车领域，高强度铝合金已成为轻量化设计的关键材料，用于替代汽车车身、横梁和电池托盘等结构部件中的钢材。随着工业应用的快速发展，对汽车铝合金的性能要求已从单一的机械指标转向多功能集成。例如，在电池模块结构中，高机械强度以及良好的电导率和热导率对于确保电池安全和行驶里程至关重要。然而，这些性能往往存在相互矛盾的关系——例如强度与电导率（EC）或硬度与EC之间的关系。因此，同时改善多种性能已成为材料设计和加工中的关键挑战。在材料科学中，材料的性能通常由第二相颗粒、晶粒尺寸和晶体织构取向等微观结构特征决定。织构是指晶粒的空间取向偏离随机分布并表现出优先取向的微观结构特征。广义上讲，根据材料的形状和尺寸坐标系，工业铝合金板、型材、箔材甚至压铸件都具有晶体织构，尤其是在轧制板和挤压型材中。由于织构是一个难以量化的抽象概念，并且其演变路径复杂，因此成为材料科学中最具挑战性但又最有前景的研究课题之一。因此，关于织构的研究已经从传统的材料各向异性、深拉性能和疲劳抗力[6]、[7]、[8]等领域扩展到包括大面积单晶金属箔材、锂离子电池材料和压电陶瓷等新兴领域。例如，Wang等人证明，几乎100%的立方{001}〈100〉织构是制造大尺寸单晶铜（Cu）和镍（Ni）箔材的关键[9]。Li等人报告说，{110}织构有助于抑制锂金属阳极中苔藓状枝晶的形成并提高电池稳定性[10]。另一项由Li等人进行的研究表明，取向化的锆钛酸盐铅（PZT）陶瓷具有优异的压电性能和热稳定性[11]。在面心立方（FCC）金属板材中，主要的织构成分包括Brass {110}〈112}、Cu {112}〈111>和S {123}〈634>等变形织构，以及立方{001}〈100>和Goss {110}〈001>等再结晶织构。然而，这些取向对材料机械性能和电导率的具体影响尚不清楚。其中一个主要原因是缺乏有效的定量参数来评估织构演变。此外，大多数研究仅关注单一变量对材料性能的影响，而忽视了多个因素之间的相互依赖性，这往往导致对织构在决定材料性能中的作用理解片面且不完整。

近年来，一些研究人员引入了新的织构指数，如F_CGB（欧拉空间标准位置下立方和Brass取向的织构强度比）和织构转变指数（X_Trans），以研究加热退火对纯铝（Al）和Al–Cu–Mg合金织构演变和性能的影响[12]、[13]。这些研究提供了宝贵的见解；然而，从等温退火和多性能协同作用的角度进行的研究仍然有限。此外，尽管在Al-Cu-Mg-Zr合金中观察到60°<111>孪晶关系（如Brass {φ?=35°, φ=45°, φ?=0°/90°}与Brass_T1 {φ?=79°, φ=80°, φ?=10°}）能够促进织构的初始转变[14]，但其背后的机制仍不清楚。

鉴于上述分析和先前的理论进展，本研究进一步研究了在三种特征温度（280°C、360°C和400°C）下等温退火时Al–Cu–Mg合金样品的微观结构、晶体织构、机械性能和电导率的演变行为。研究结合了X射线衍射（XRD）、电子背散射衍射（EBSD）、扫描电子显微镜（SEM）和机械性能评估，建立了这些因素之间的定量相关性。结果为Al–Cu–Mg合金多性能的协同调控提供了全面的实验基础和科学依据，支持其在新能源汽车等民用领域的优化和更广泛的应用。

材料

本研究中Al-Cu-Mg板材样品的名义成分为4.3% Cu、1.8% Mg、0.15% Mn、0.05% Fe、0.05% Si和剩余的Al（按重量计）。该板材厚度为2.5毫米，通过熔铸、均匀化退火（工艺：360°C/8小时+495°C/16小时）、热轧（起始温度：420°C，最终温度：280°C，轧制减量：75%）和冷轧（轧制减量：65%）工艺制备而成。随后进行了280°C、360°C和400°C的一系列等温退火处理。

宏观织构演变

图1展示了使用XRD分析和测试的初始冷轧Al–Cu–Mg板材的宏观织构。为了清晰起见，建议读者关注几个代表性的φ?截面（φ? = 0°、45°、65°和90°），这些截面能够捕捉到织构分布的关键特征。如ODF截面图中的虚线所示，初始冷轧板材主要由位于欧拉空间下半部分的β-纤维织构成分组成（LHES：φ? = 0–90°, φ =

讨论

本研究系统地研究了等温退火（在280°C、360°C和400°C下，不同时间）的Al–Cu–Mg合金的微观结构和织构演变行为及其与机械性能和电导率（EC）之间的对应关系，采用了新引入的织构指数F_CGB和X_CB。如图9和图10所示，在360°C和400°C退火后，拉伸强度（σ_b）与织构指数F_CGB之间存在强相关性。

结论

本文详细研究了Al–Cu–Mg合金在280°C、360°C和400°C下等温退火过程中微观结构、织构取向、电导率和拉伸性能的演变，以及织构与机械性能、∑3孪晶界和电导率之间的对应关系。研究得出以下结论：

1) 在280°C等温退火时，Brass晶型与其孪晶取向之间发生了相互转化

CRediT作者贡献声明

陈泽业：撰写——原始草稿、软件开发、方法论、实验设计、数据分析。莫阳：撰写——审稿与编辑、验证、方法论。陈华标：资源获取、数据管理、概念构建。姜福林：撰写——审稿与编辑、监督。沈芳华：撰写——审稿与编辑。滕杰：撰写——审稿与编辑、资金申请。

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所述的工作。

致谢

作者衷心感谢国家自然科学基金（项目编号：52374385）的财政支持。