《Journal of Alloys and Compounds》：The improved bake hardening response by applying natural ageing before pre-straining in Al-Zn-Mg-Cu alloy
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本研究探究了预处理顺序（自然时效与预应变顺序）对Al-Zn-Mg-Cu合金 bake-hardening应答及沉淀行为的影响，发现先自然时效再预应变（NA+PS）的合金具有更优的 bake-hardening性能，而预应变后立即自然时效（PS+NA）则显著降低性能，揭示顺序对合金强化机制的关键作用。
何俊|马佩佩|陈龙辉|梁娜|刘萌|刘春辉
中南大学轻合金研究所，极端服役性能精密制造国家重点实验室，中国长沙410083
摘要
本研究探讨了预处理顺序——特别是自然时效（NA）和预应变（PS）的顺序——对Al-Zn-Mg-Cu合金烘烤硬化响应和沉淀行为的影响。研究发现，在预应变之前进行自然时效（NA+PS）的样品表现出更好的烘烤硬化响应，具有更高的时效后硬度和强度。相比之下，在淬火后立即进行预应变（PS+NA）的样品性能显著下降。预应变程度超过4%时，屈服强度降低了约40 MPa，表明淬火后立即变形对时效硬化潜力有明显的负面影响。微观结构分析阐明了其背后的机制：预应变前的自然时效有助于溶质-空位复合体的均匀分布，从而形成细小强化沉淀物（平均尺寸约为7.52 nm，占所有沉淀物的91.2%），这种微观结构提高了机械性能。相反，淬火后立即施加预应变会促进溶质向位错的偏聚和局部溶质耗尽，进而引发沉淀物的非均匀形核和粗化，最终降低强度。本研究阐明了预处理顺序如何控制位错-溶质相互作用及随后的强度演变，为优化汽车级Al-Zn-Mg-Cu合金板材的加工提供了理论基础。
引言
为应对全球节能、减排和性能提升的需求，轻量化设计已成为制造业的核心且不可逆转的趋势。Al-Zn-Mg-Cu合金以其优异的比强度和可成形性而闻名，被广泛认为是替代传统钢材的理想轻质结构材料，在交通运输和航空航天工业中应用日益广泛[1]、[2]、[3]。作为一种经典的时效硬化铝合金体系，其优异的机械性能主要源于热时效过程中纳米级沉淀物的形成。因此，精确控制沉淀行为对于定制这些合金的最终性能至关重要[4]、[5]。
在工业实践中，用于汽车应用的铝合金板材通常在固溶热处理（SHT）后供应，然后在室温下储存/运输。制造商将这些板材制成车身面板，随后进行涂装烘烤工艺，既固化涂层又诱导沉淀硬化。尽管不同制造商和生产线之间的具体温度-时间窗口和处理条件可能有所不同，但以往研究普遍采用160-180°C、约20-60分钟的工艺来模拟实际涂装烘烤过程[6]、[7]、[8]。然而，存在一个重要挑战：Al-Zn-Mg-Cu合金通常在约120°C的时效温度下达到峰值强度。这表明传统的烘烤硬化条件未能充分释放这些合金的固有强化潜力。
为了提高烘烤硬化响应，通常在人工时效（AA）之前施加各种预处理，这些预处理可以直接改变沉淀动力学和最终微观结构[9]。其中，预应变是一种常见的工业实践，主要用于缓解淬火引起的残余应力[10]。同时，预应变引入的位错作为有效的空位陷阱，迅速吸收淬火过程中产生的空位，从而显著影响溶质聚集的动力学。先前的研究表明，预应变通常会抑制自然时效（NA）团簇的形成[11]、[12]。虽然无法完全消除聚集现象，但预应变显著降低了NA过程中的硬化速率和强度增量[13]。因此，改变的聚集行为可以改善后续的AA过程，从而提高烘烤硬化响应[14]。引入的位错还可以作为沉淀物的有效形核位点并加速溶质扩散[15]。然而，溶质与位错之间的相互作用也存在显著风险：它可能促进人工时效过程中沉淀物沿位错线的快速粗化，最终导致强度下降。例如，Yuan等人[16]报告称，在低Cu含量的Al-Zn-Mg-Cu合金中施加2.3%的预拉伸会导致η相在位错处的粗化以及基体沉淀物密度的降低，从而降低强度。同样，Han等人[17]观察到预变形7050合金在所有时效条件下的屈服强度和抗拉强度均较低。这种效应似乎与成分有关，有研究表明[18]，在Zn/Mg比低的合金中具有负面影响，而在Zn/Mg比高的合金中则具有正面影响。
同时，一个不可避免且常被忽视的工业因素是室温储存——这源于物流、运输和调度——这一过程本身就是一个自然时效期[19]、[20]。淬火后的合金含有高溶质过饱和度以及大量非平衡空位，两者在室温下逐渐趋于平衡。在自然时效过程中，溶质原子聚集形成纳米级团簇，显著提高强度[21]、[22]、[23]。普遍认为，团簇形成是一个以空位为主导的过程：过量的空位为溶质在室温下的迁移提供了高效的扩散路径[24]。同时，空位逐渐被团簇和其他缺陷捕获或湮灭，不断重新平衡局部空位-溶质分布[25]、[26]、[27]。这种动态重新分布直接决定了纳米级团簇的数密度、稳定性和生长动力学。这些团簇的空位主导演化对后续的人工时效有着深远影响，是控制可热处理铝合金沉淀顺序和最终性能的关键因素之一。例如，研究表明它改变了晶界附近的溶质-空位相互作用，从而改善了Al-Zn-Mg-Cu合金在180°C下的烘烤硬化响应[28]。然而，自然时效和预应变之间的相互作用引入了相当大的复杂性。后续变形可以抑制自然时效[29]，而且这两种处理的顺序可能会引发不同的沉淀路径。Thronsen等人[30]证明，严重变形会显著改变后续时效过程中的沉淀动力学和微观结构分布。此外，变形和室温储存之间的处理顺序会导致不同的沉淀路径，突显了工艺路径的显著依赖性。
尽管预应变和自然时效在工业加工链中普遍存在，但它们联合对Al-Zn-Mg-Cu合金烘烤硬化响应的影响——尤其是它们的顺序——尚未得到系统研究。本研究旨在通过探讨预应变和自然时效联合预处理过程对Al-Zn-Mg-Cu合金烘烤硬化响应和沉淀行为的影响来填补这一空白。通过使用扫描透射电子显微镜（STEM）进行详细的微观结构表征，我们揭示了不同预处理顺序调节沉淀物形核和生长的机制。这些发现为优化工业加工提供了理论基础和实践指导，以提高汽车车身面板用Al-Zn-Mg-Cu合金的性能。
材料与方法
本研究使用的材料是厚度为1.6 mm的商用7075铝合金板材。所有样品均沿轧制方向切割，并在475°C下进行固溶热处理1小时，随后立即水淬至室温。板材的初始晶粒结构呈等轴形态，具有明显的再结晶纹理，平均晶粒尺寸约为30 μm。
预应变和自然时效对烘烤硬化响应的影响
图2a展示了W状态（固溶热处理和淬火后立即）和NA状态（自然时效14天后）7075铝合金的工程应力-应变曲线。W状态下的屈服强度较低，为151 MPa，但保持优异的延展性，断裂伸长率超过27%。经过14天的自然时效后，NA状态的屈服强度显著提高至379 MPa。
预应变和自然时效对沉淀分布与强度的关系
不同预处理顺序下观察到的不同烘烤硬化响应受它们对沉淀行为的影响所控制。尽管NA+PS4和PS4+NA条件下的自然时效时间和预应变程度相同，但NA+PS4合金在烘烤硬化后表现出更高的硬度和强度，而PS4+NA合金则表现出明显的强度下降。整体强度由位错和
结论
本研究系统研究了预应变和自然时效对Al-Zn-Mg-Cu合金在烘烤硬化过程中的机械性能、微观结构和潜在机制的综合影响。通过将不同的预处理顺序与传统自然时效进行比较，阐明了自然时效（NA）和预应变（PS）顺序对烘烤硬化响应的关键影响。主要结论如下：
1.在
作者贡献声明
陈龙辉：验证、方法论、正式分析。梁娜：可视化、验证、软件。刘萌：验证、监督、资金获取。刘春辉：撰写 – 审稿与编辑、撰写 – 原稿、监督、资源管理、项目管理、方法论、资金获取、正式分析、数据管理、概念化。何俊：撰写 – 原稿、可视化、验证、研究、正式分析、数据管理。马佩佩：撰写 – 审稿与
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的研究结果。
致谢
作者感谢中国国家自然科学基金（编号52305441、52274404、U22A20190）、中国国家重点研发计划（编号2024YFB3411201）和湖南省自然科学基金（2023JJ40739）的财政支持。
