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通过原子团簇热机械处理（ACTMT）调控Al-Cu-Mg合金微观结构，形成高密度Cu-Mg团簇（5.93×10^6 μm?3）与Goss织构，实现498.2 MPa强度与12.7%延伸率的优异平衡。高密度团簇促进平面可逆滑移并抑制裂纹尖端损伤累积，而Goss织构促进裂纹偏转，协同低角晶界（LAGB）显著提升疲劳裂纹扩展抗力。
陈志国|周彦凯|王从林|邹福平|塔雷克·凯尔法
中南大学材料科学与工程学院，中国长沙410083
摘要
通过溶质原子簇的强化处理，有望在铝合金中实现优异的综合性能。在本研究中，开发了一种原子簇热机械处理（ACTMT）方法，以提高铝合金的抗疲劳裂纹扩展能力，并实现强度与塑性的平衡。经过ACTMT处理的铝合金具有498.2 MPa的极限抗拉强度和12.7%的伸长率。ACTMT处理促进了高密度Cu-Mg簇（5.93 × 106 μm?3）的形成以及高强度的Goss织构。高密度的Cu-Mg簇有助于平面可逆滑移，并减少裂纹尖端的损伤积累；而含有Goss织构的微观结构则有助于裂纹偏转，从而最终提高合金的抗疲劳性能。这项研究为开发具有优异综合性能的铝合金提供了新的视角。
引言
在航空航天铝合金中，克服强度与塑性之间的矛盾仍然是实现优异综合性能的重要挑战[1,2]，因为这些合金在循环载荷下也容易发生疲劳失效[3,4]。因此，提高疲劳性能至关重要。铝合金的沉淀强化是通过形成沉淀物来实现的；然而，这通常伴随着塑性的降低[5,6]。粗大的沉淀物会导致局部应力集中，加速疲劳损伤的积累和疲劳裂纹的扩展（FCP）。
近年来，溶质原子簇因其能够在有限伸长率损失的情况下增强强度而受到广泛关注[[7], [8], [9], [10]]。朱等人[11]通过预时效处理在AA6016合金中形成了大量的Mg-Si簇，从而提高了合金的强度（约100 MPa）。孙等人[12]在室温下通过循环变形促进了原子簇的高密度形成，实现了不同铝合金的优异强度-塑性平衡。有研究表明，密集的溶质原子簇可能有助于减缓微裂纹的产生[13,14]。因此，调控原子簇已成为开发具有优异综合性能的航空航天铝合金的一种有前景的策略。
疲劳行为不仅受溶质原子簇的影响，还受到晶界、金属间颗粒和晶粒取向的影响。翟等人[15]发现，相邻晶粒之间的较大扭转和倾斜角度会阻碍裂纹扩展。刘等人[16]研究了不同晶粒结构对FCP的影响，结果表明Goss和P型晶粒具有更强的抗裂纹扩展能力。通过调控晶粒取向可以为提高铝合金的抗疲劳性能提供潜在策略。
热机械处理（TMT）已知能够敏感地调节铝合金的微观结构特性，从而改善其性能[17]。虽然大多数传统的TMT方法侧重于晶粒细化和沉淀行为，但很少有研究关注通过调控溶质原子簇和晶粒取向来制备高性能铝合金。为了克服这一限制，我们设计了一种新的原子簇热机械处理（ACTMT）方法，该方法结合了非对称低温轧制（ACR）和低温时效处理，以促进高密度溶质簇的形成，同时引入特定的织构和大量低角度晶界（LAGB）。ACR过程中施加的剪切应力有助于变形和织构演变，而低温则抑制了动态恢复，保持了高密度的缺陷（如位错和空位），这些缺陷可以在后续时效过程中通过扩散作用加速溶质重新分布和簇的形成[18]。
在本研究中，我们通过ACTMT处理在Al-Cu-Mg合金中实现了优异的抗疲劳裂纹扩展能力以及强度与塑性的平衡。通过多尺度微观结构表征系统地阐明了其作用机制。这项研究为开发具有优异综合性能的铝合金提供了有前景的策略。
材料与方法
实验选用了厚度为5毫米的商用Al-Cu-Mg合金板，其化学成分列于表1中。该合金首先在495 °C下进行1小时的固溶处理，然后进行热轧和水淬（称为SHRQ工艺）。热轧过程中厚度减少了25%，且整个过程温度保持在450 °C以上。之后，样品在80 °C下预时效6小时。随后...
力学性能
图2展示了各种样品的力学性能。与T3样品相比，T6样品的极限抗拉强度（UTS）和屈服强度（YS）有所提高，但塑性有所下降。然而，经过ACTMT处理的合金在强度与塑性方面表现出了优异的平衡。2A1样品的UTS达到498.2 MPa，伸长率为12.7%，分别比T3和T6样品高出92.4%和...
ACTMT对Al-Cu-Mg合金抗疲劳裂纹扩展能力的影响
众所周知，Al-Cu-Mg合金的抗疲劳裂纹扩展能力与其沉淀行为密切相关。2A1样品中高密度的Cu-Mg簇有望增加裂纹尖端塑性区内位错-簇相互作用的频率，从而促进更明显的平面可逆滑移[24,27]。此外，较大簇的Mg/Cu比例接近1（见图9(d)），这接近Al2CuMg的化学计量比。这表明...
结论
对Al-Cu-Mg合金进行了ACTMT处理，并研究了其对FCP和力学性能的影响，结论如下：
(1)ACTMT处理为Al-Cu-Mg合金实现了优异的强度-塑性平衡，这归因于Cu-Mg簇、位错、织构以及高比例低角度晶界（LAGB）的协同效应。
(2)ACTMT处理的合金具有比T3状态更高的Cu-Mg簇密度。定量分析表明...
作者贡献声明
陈志国：撰写——审稿与编辑、初稿撰写、方法论研究、概念构建。周彦凯：初稿撰写、正式分析。王从林：方法论研究、实验设计、正式分析。邹福平：数据验证与整理。塔雷克·凯尔法：撰写——审稿与编辑。
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
作者感谢国家自然科学基金（项目编号：51011120052）和湖南省“双一流”学科建设的资助。同时，我们也感谢中南大学的郑子桥教授对全文提出的宝贵建议和意见。
