《Journal of Alloys and Compounds》：High strength and fatigue resistance in 2024 aluminum alloy via synergistic control of dislocations and precipitates
编辑推荐：
通过溶液处理、冷锻和低温过时效工艺制备的2024铝合金，其高密度位错、均匀纳米级S'析出物和窄PFZ协同作用显著提升拉伸强度（563.3MPa）和疲劳强度（251.7MPa）。研究揭示了冷锻保留位错作为析出核心，过时效形成不可剪切析出物阻碍位错运动，窄PFZ减少界面应变集中，从而实现强度与疲劳性能的协同优化。
罗浩远|侯家鹏|王硕|刘增倩|龚白云|刘汉忠|赵振凯|顾健|李东青|张振军|张哲峰
河南工业大学，郑州大学，文华路97号，郑州450001，中国
摘要
提高2024铝合金的拉伸性能和疲劳性能具有重要意义，因为这种铝合金是航空航天领域的重要结构材料。在本研究中，采用了解析处理、冷锻和低温过时效处理工艺，制备出了一种2024铝合金。该合金的极限抗拉强度为563.3 MPa，在应力比为0.1时的疲劳强度为251.7 MPa。微观结构分析显示，该合金具有高密度的位错、均匀分布的纳米级S′析出物以及宽度约为37.5 nm的窄无析出物区（PFZ）。冷锻引入的位错不仅显著增强了材料的强度，还为S′析出物的均匀析出提供了晶核，从而进一步提高了材料的强度。此外，窄化的PFZ减少了晶界处的应变局部化；而过时效状态下不可剪切的S′析出物促进了波状滑移和位错湮灭，有效抑制了长程位错运动和表面损伤。这些协同作用机制使得2024铝合金的拉伸强度和疲劳抗力同时得到提升，为2xxx系列铝合金的加工提供了有效的策略和理论基础。
引言
在现代工业中，由于铝合金具有优异的比强度、良好的成型性、出色的耐腐蚀性和低成本优势，已成为航空航天、交通运输和国防领域的核心结构材料[1]、[2]、[3]、[4]。其中，2xxx系列（Al-Cu-Mg）铝合金因其出色的强度-韧性平衡而被广泛应用于飞机机身蒙皮和机翼下缘等关键承力部件[5]。作为该系列中最成熟的合金，2024铝合金因其高抗拉强度、高屈服强度和优异的疲劳抗力而成为高载荷结构的首选材料[6]、[7]、[8]。随着航空航天器速度的提高和飞行距离的延长，迫切需要继续提升2024铝合金的拉伸性能和疲劳性能[9]。
晶界处的无析出物区（PFZ）是影响铝合金拉伸性能和疲劳性能的关键微观结构特征。位错在PFZ/基体界面处的堆积会导致局部应变集中，从而降低材料强度。研究表明，PFZ宽度与材料强度之间存在显著的负相关关系[10]。通常，较窄的PFZ可以减少应变局部化，提高基体的变形适应性。其背后的微观机制是：窄PFZ不仅限制了晶界处的塑性局部化，还通过密集的晶界析出物阻碍了位错在界面处的运动[11]。此外，PFZ还是铝合金疲劳损伤起始的重要微观位置。在循环载荷作用下，应力集中优先发生在较软的PFZ区域内，导致位错堆积和应变局部化，进而引发疲劳裂纹。因此，较窄的PFZ有助于提高铝合金的疲劳性能[12]。张等人[13]通过预疲劳和再时效处理成功细化了PFZ宽度，从而提高了合金的疲劳抗力。
此外，位错滑移模式也对铝合金的疲劳性能有显著影响。合金的时效状态决定了位错与析出物之间的相互作用机制。在未时效的合金中，析出物是可剪切的，导致平面滑移；而在过时效的合金中，析出物是不可剪切的，迫使位错通过Orowan机制绕过析出物，从而产生波状滑移。因此，在未时效合金中容易发生长程位错滑移，导致晶界或自由表面处产生更严重的应力集中和疲劳损伤。相比之下，过时效合金中不可剪切析出物的阻碍作用使位错滑移距离缩短，从而减少了晶界或表面的损伤[14]、[15]、[16]。
因此，通过工艺控制实现窄PFZ和引入不可剪切析出物有望提高合金的疲劳强度。传统的2xxx系列铝合金加工流程包括冷变形后的解析处理，随后进行时效处理。然而，解析处理会导致位错从变形状态恢复，形成再结晶微观结构。由于位错可能在时效过程中成为析出物的晶核[17]、[18]，保留变形诱导的位错后再进行时效处理，有助于实现析出物的更均匀分布[19]。
因此，本研究提出了一种新的2024铝合金加工工艺：先进行解析处理，然后进行冷锻，最后进行低温时效。具体而言，首先进行解析处理以形成过饱和固溶体；接着通过冷锻产生高密度的位错，为后续析出提供大量晶核；随后在较低温度（150°C）下进行过时效处理，以促进不可剪切析出物的均匀析出。这种复合工艺旨在获得细小、均匀且不可剪切的基体析出物以及窄化的PFZ。系统评估了采用该工艺处理的2024铝合金的拉伸性能和疲劳性能，并深入探讨了其强化机制及影响疲劳性能提升的因素。本研究旨在为设计高强度和耐疲劳的2xxx系列铝合金提供有益的参考。
材料与加工
本研究使用的铝合金为商用2024铝合金，其化学成分见表1。加工流程如图1所示：样品首先在箱式电阻炉中于500°C下进行4小时的解析处理，然后水淬；随后进行冷锻，将样品直径从40.0 mm减小到26.0 mm。
需要指出的是，冷锻等热机械工艺
拉伸性能
图4展示了不同时效状态下2024铝合金的工程应力-应变曲线。未时效的2024铝合金具有最低的极限抗拉强度（UTS = 547.8 MPa）和最高的均匀伸长率（UE = 7.3%）。在2024铝合金中，析出顺序通常为[20]：SSS（过饱和固溶体）→ GP区 → S" → S'/S。因此，未时效2024铝合金的主要强化析出物为GP区和S′析出物。
讨论
结合解析处理、冷锻和低温过时效的协同工艺使2024铝合金具备了比其他2xxx系列铝合金更优异的拉伸性能和疲劳性能。与传统加工的2024铝合金[16]相比，本研究制备的合金具有更高的位错密度、更均匀和细化的S′析出物分布，以及更窄的PFZ。
结论
成功制备出了高强度和耐疲劳的2024铝合金，并系统揭示了其强化和疲劳抗力机制。根据实验结果和分析，得出以下结论：
1)通过结合解析处理、冷锻和低温过时效的工艺，成功获得了具有高密度位错、均匀分布的纳米级S′析出物以及窄PFZ的微观结构
作者贡献声明
龚白云：方法学研究。刘增倩：监督工作。赵振凯：资源协调。刘汉忠：资源协调。王硕：方法学研究、实验设计。侯家鹏：写作、审稿与编辑、监督工作、资源协调、方法学研究、资金申请。罗浩远：初稿撰写、实验设计。李东青：项目管理工作。顾健：项目管理工作。张哲峰：写作、审稿与编辑、监督工作、资源协调、资金申请。张振军：资源协调。
利益冲突声明
作者声明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
本研究得到了国家自然科学基金（NSFC）项目（项目编号52571160、52130002、52273322、52321001）和中国科学院战略性先导科技专项（项目编号XDB1420000）的支持，以及中国科学院联合研究项目（项目编号174321KYSB20210002）的资助。
