时效硬化AA7075合金在高温下的应力松弛行为

《Mechanics of Materials》：Elevated-temperature stress-relaxation behavior of age-hardened AA7075

应力松弛主导机制及晶粒取向影响研究。采用单次和重复应力松弛测试结合中子衍射和TEM分析，发现150℃时AA7075合金应力松弛由位错蠕变主导，激活体积约20b3，与室温滑移主导机制明显不同，且晶粒取向和热处理条件显著影响蠕变行为。

　　

作者列表：Thanh-Dat Nguyen、You Sub Kim、Byungju Lee、Soon-Ku Hong、Tien-Dung Nguyen、Hobyung Chae、Eunjoo Shin、Ke An、Soo Yeol Lee

韩国忠南国立大学材料科学与工程系，大田，34134

摘要

本研究在150°C下研究了时效硬化的AA7075合金的应力松弛（SR）行为，以阐明不同热处理（HT）条件下的速率控制机制。通过单次和重复应力松弛（RSR）测试确定了表观激活体积（V_a）和移动位错密度（ρ_m），同时利用原位中子衍射和透射电子显微镜获得了取向依赖的微观结构响应。无论热处理条件如何，样品在RSR后均表现出显著且相同的应力下降，并且没有再屈服现象。激活体积（V_a约为20 b³），加上ρ_m的有限减少，表明在150°C下应力松弛过程中位错蠕变是速率控制机制。这些行为与室温（RT）下的情况明显不同，在室温下主要受滑移控制，并且有显著的位错移动。原位中子衍射显示，最硬的晶粒家族从{111}取向转变为{200}取向，这是由于非密排面上的交叉滑移增强所致。此外，150°C时所有晶粒家族的剪切应力降低和晶格应变松弛增加，表明在较高温度下扩散控制的蠕变贡献更大。这些发现有助于理解AA7075合金在结构应用中的时间依赖性变形行为。

引言

时效硬化的AA7xxx铝合金因其轻质和良好的耐腐蚀性而在各个行业中受到广泛关注（Li等人，2023年；Verma和Kumar Lila，2021年）。人们对AA7xxx合金的兴趣日益增加，因为它们能够在保持高强度和耐用性的同时减轻产品重量，从而降低温室气体排放。在一系列AA7xxx合金中，AA7075由于其优异的机械性能，成为航空航天和汽车工业结构部件的潜在候选材料。

对于结构应用而言，飞机、汽车和发电厂中使用的许多工程部件在运行过程中经常经历启动和关闭，导致拉伸和循环变形（Hao等人，2015年；Vantadori等人，2020年）。在稳定运行期间，作为固定翼飞机结构中的梁和肋材使用的铝合金会暴露在较高的温度下（Li等人，2023年）。在这种情况下，材料会发生应力松弛（SR）现象（Butt等人，2021年；Natesan等人，2020年）。SR是指材料在恒定应变作用下应力的时间依赖性松弛。这种现象是由于材料内部原子的重新排列和位错的运动引起的，从而导致合金内部应力的降低（Martin，2003年）。SR会显著影响材料的机械性能，如蠕变抗力和疲劳寿命，因为微观结构在服役条件下会随时间不断变化（Cao和Zhang，2023年；Lee等人，2009年；Natesan等人，2020年；Yahya等人，2022年）。由铝合金制成的飞机结构部件经常受到热暴露，服役温度通常在大约83°C到177°C之间（Dai等人，2020年；Jabra等人，2006年；Lee等人，2007年；Ortiz等人，2006年）。因此，铝合金的SR行为也取决于温度和加载条件（Butt等人，2021年；Chen等人，2014年）。因此，有必要了解铝合金中的SR机制，以便设计能够在运行过程中承受应力和温度变化的结构材料。

数十年来，许多研究集中在不同温度下铝合金的SR现象（Butt等人，2021年；Chen等人，2014年；Hamasaki等人，2017年；Lee等人，2021年；Lyu等人，2020年；Mishra等人，2018年；Prasad等人，2023年；Rong等人，2019年；Zhan等人，2016年）。先前的研究表明，在室温（RT）下，铝合金的应力松弛主要由位错滑移控制（Lee等人，2021年；Mishra等人，2018年；Prasad等人，2023年），而在较高温度下，位错蠕变是主要的SR机制（Butt等人，2021年；Chen等人，2014年；Hamasaki等人，2017年；Lyu等人，2020年；Rong等人，2019年；Zhan等人，2016年）。在室温下，Lee等人（Lee等人，2021年）和Prasad等人（Prasad等人，2023年）研究了热处理后的AA7075合金的SR行为，并证明不同的热处理条件对其应力松弛响应有显著影响。在固溶和过时效条件下，SR行为主要由位错交叉作用控制；而在峰值时效条件下，位错-沉淀物相互作用在控制应力松弛过程中起主导作用（Lee等人，2021年；Prasad等人，2023年）。这些观察结果与可时效硬化的Al-Mg-Si合金的热处理依赖性SR行为一致，其中主导的速率控制机制随合金的强化状态系统性地变化（Mishra等人，2018年）。

在较高温度下，位错蠕变被认为是铝合金SR过程中的主导机制（Butt等人，2021年；Chen等人，2014年；Hamasaki等人，2017年；Lyu等人，2020年；Rong等人，2019年；Zhan等人，2016年）。例如，Chen等人（Chen等人，2014年）研究了Al-Zn-Mg-Cu合金在较高温度下的SR行为。通过微观结构表征估计应力指数和激活能，他们报告位错蠕变是Al-Zn-Mg-Cu合金中SR的主要机制。Lyu等人（Lyu等人，2020年）研究了AA7075-T6合金在较高温度和不同拉伸应变水平下的时间依赖性SR行为。他们报告在较低应变下位错-沉淀物相互作用主要控制SR速率，而在较高应变下位错交叉滑移成为主导机制。

一般来说，单次SR测试可以通过提供不同温度下的微观结构参数（如表观激活体积V_a）来提供关于变形机制的宝贵见解（Huang等人，2014年；Lu等人，2009年；Martin，2003年；Wang等人，2006年）。在时效硬化的铝合金中，SR行为受热处理条件的显著影响，主要是通过位错-沉淀物相互作用以及常见的位错-位错相互作用（Lee等人，2021年；Mishra等人，2018年；Prasad等人，2023年）。特别是，在SR测试过程中，移动位错密度和位错速度会发生变化，从而影响塑性应变率。然而，这些变化给SR测试数据的分析带来了困难。为此，提出了RSR方法来阐明位错变化如何影响塑性应变率。此外，位错与沉淀物和溶质原子的相互作用进一步稳定了位错配置，表明瞬时重新加载主要增加了平均位错速度，而不是显著改变位错亚结构（Babu和Lindgren，2019年；Lee等人，2021年）。因此，RSR测试假设在循环之间的快速重新加载期间位错保持不变（Babu和Lindgren，2019年；Martin，2003年）。通过RSR，可以在考虑位错变化的情况下估计物理激活体积（V*）（Martin，2003年）。与V_a不同，V*表示位错对应力的依赖性，因此与热激活位错运动的物理机制更为相关（Martin，2003年）。

尽管RSR方法有效，但对时效硬化铝合金的研究仍然较少（Lee等人，2021年；Mishra等人，2018年；Prasad等人，2023年）。对于室温研究，Lee等人（Lee等人，2021年）、Prasad等人（Prasad等人，2023年）和Mishra等人（Mishra等人，2018年）应用RSR测试来研究热处理后的Al-Zn-Mg合金（Lee等人，2021年；Prasad等人，2023年）和Al-Mg-Si合金（Mishra等人，2018年）在SR测试过程中的位错减少与塑性应变率之间的相关性。然而，在较高温度下，时效硬化铝合金中的这种相关性仍然不清楚。此外，Lee等人（Lee等人，2021）在RT下对可时效硬化的AA7075进行RSR测试时使用了原位中子衍射，并报告位错滑移和扩散控制蠕变对SR行为的相对贡献取决于合金的晶体取向。尽管如此，较高温度下AA7075合金的晶粒取向对SR行为的依赖性仍存在疑问。

本研究在150°C的较高温度下研究了可时效硬化的AA7075的SR行为。为此，使用了固溶（SS）和峰值时效（PA）处理来阐明固溶强化合金和峰值时效硬化合金之间的不同SR现象。为了确定较高温度下SR的速率控制机制，通过单次SR和RSR评估了V_a和V*。通过计算塑性流动参数从RSR测试中获得了位错。众所周知，原位中子衍射是一种强大的技术，可以提供关于多晶材料中晶格应变演变和纹理发展的宝贵信息（Kim等人，2021年；Lee等人，2021年，2014年；Nguyen等人，2024年；Woo等人，2023年，2015年）。因此，在150°C的RSR测试中使用了原位中子衍射来研究热处理后的AA7075合金的晶体取向对SR速率控制机制的依赖性。此外，还通过TEM分析了RSR测试后的变形微观结构。通过整合宏观和微观力学测量以及微观结构表征，揭示了热处理条件和晶体晶粒取向对较高温度下SR行为的影响。

样品制备

使用了成分为87.8Al-6.02Zn-2.88Mg-1.62Cu-0.43Ni-0.37Si-0.08Ti-0.02Fe（重量%）的挤压AA7075合金棒。将挤压后的棒材进行T6热处理，然后根据ASTM B918/B918M-09标准（ASTM B918/B918M-09，2009）进行固溶热处理和淬火，随后进行PA处理。样品在480°C下固溶2小时，然后在120°C下时效24小时。T6热处理后，将样品切割成...

初始微观结构

图2(a,b)显示了经过SS和PA热处理的挤压AA7075合金横截面（CS）和纵向（LT）的EBSD结果。图2(a1, b1)显示CS平面上具有不同晶粒尺寸的等轴晶粒（34 μm以下占16%，34 ～ 94 μm占68%，94 μm以上占16%），图2(a2, b2)显示LT平面上的拉长晶粒。LT平面的定量分析显示晶粒沿挤压方向明显拉长。

结论

本研究通过RSR测试期间的原位中子衍射和微观结构分析，研究了较高温度下时效硬化AA7075合金的应力松弛（SR）行为。主要发现如下：

• 1) 在150°C下，时效硬化AA7075的SR主要由位错蠕变控制，表现为RS期间较大的应力下降，同时激活体积小，移动位错的减少有限。

CRediT作者贡献声明

Thanh-Dat Nguyen：撰写——原始草稿，研究，正式分析。 You Sub Kim：软件，正式分析。 Byungju Lee：正式分析。 Soon-Ku Hong：验证。 Hobyung Chae：正式分析。 Eunjoo Shin：正式分析。 Tien-Dung Nguyen：研究。 Ke An：资源支持。 Soo Yeol Lee：撰写——审阅与编辑，验证，监督，资金获取，概念构思。

未引用参考文献

ASTM B918/B918M-09, 2009; Cai, 2019; Frost and M, 1984.

数据可用性

支持本研究发现的数据可向相应作者索取。

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报告的工作。

致谢

本工作得到了韩国政府资助的国家研究基金会（NRF）的资助（RS-2024-00398068，RS-2023-NR077179）。