西交&北科等Acta Materialia：高强铝合金寿命百倍提升！层层梯度构筑“抗疲劳护甲”

2025-10-27 17:05:24 作者：本网发布来源：材料强化与防护分享至：

铝合金具有密度小、强度高、耐腐蚀性能好、加工性能优异等特点，是当前军事工业中应用最广泛的金属结构材料。在追求装备轻量化的航空、航天以及舰船领域，高性能铝合金是必不可少的重要轻质结构材料。如7075系铝合金是航空与轨道交通领域结构材料的常用选择，但其高层错能（~121mJ/m²）导致塑性变形中动态回复活跃，局部塑性积累成为裂纹萌生的根源，因此在承受循环载荷时有发生循环软化的风险，可能会造成早期的疲劳失效。传统强化方式（表面喷丸、激光冲击等）虽能引入残余压应力，但无法根本改变微观结构导致的疲劳局限。

近日，西安交通大学、北京科技大学、钢铁研究总院与中国人民解放军空军工程大学的研究人员受螳螂虾复眼层次结构的启发，提出通过“固溶-梯度超高速变形-自然时效”三步工艺，构建出可自适应分层承载的GSP结构，使材料在微观层面上实现“以梯度驯服疲劳”。该研究创新性地构筑出一种梯度亚晶-纳米析出复合结构（GSP, Gradient Subgrain-Nanoprecipitate），显著提升了高强铝合金的循环可靠性，使疲劳寿命提升近两个数量级，在保持高强度的同时实现优异的抗疲劳性能。这一成果以题为“Taming cyclic reliability in high-strength Al alloys via gradient subgrain-nanoprecipitate composite structures”被发表在《Acta Materialia》期刊上。通讯作者为西安交通大学的何卫锋教授、刘刚教授和北京科技大学的吕昭平教授。

文章链接：

https://doi.org/10.1016/j.actamat.2025.121611

【核心内容】

研究以7075铝合金为对象，通过激光冲击实现梯度超高速变形，在材料中形成梯度分布的亚晶网络与缺陷-溶质有序复合体（DSOC）。超高速激光变形产生的大量空位与位错为溶质富集提供通道，使表层析出相尺寸与体积分数显著高于内部，形成由硬到韧的深度梯度结构。原子级表征与DFT计算表明，DSOC内部存在短程有序结构（SRO），能有效引导位错由“交滑移”转为“平面滑移”，并形成稳定的位错锁定单元，从而在循环加载中持续硬化并抑制塑性局部化，使合金在保持高强度的同时，疲劳寿命提升近两个数量级。

图形摘要

梯度亚晶-纳米沉淀复合结构的微观结构特征

【研究方法】

GSP结构的制备包括样品的初始固溶处理，随后自然时效（NA）4天，以达到一定的硬度，从而减少由梯度变形引起的宏观变形。随后，样品经历了三个周期的激光冲击强化LSP和NA交替过程，通过调整激光脉冲持续时间，可以进一步调节梯度结构的深度，将具有梯度结构的样品标记为GSP样品，主要对照组为自然时效态样品（NA）和传统常用的峰值时效态样品（PA）。

GSP与PA状态下沉淀物和力学性能的对比分析

【研究成果】

① 双梯度结构实现高强高阻尼

具有GSP结构的样品在力学性能方面，强度与峰值时效态的PA样品相当，但其内耗因子（tanδ）在20-140Hz的频率范围内相较于NA与PA两种状态的样品提升了近一个数量级，代表GSP样品具有极高的内部摩擦与能量耗散能力，这种现象源自其亚晶网络与DSOC之间的协同作用，可在循环初期高效吸收机械能，抑制塑性局部化。

PA、NA和GSP合金的疲劳性能与能量耗散机制

② 纳米析出调控位错行为，消除PFZ弱区

PA态的7075合金中普遍明显的无沉淀析出带（PFZ），这一区域在合金承受循环载荷时会成为疲劳裂纹的主要萌生区域，而在GSP结构中，由于LSP诱导的空位驱动沉淀，PFZ被完全消除，取而代之的是沿深度方向尺寸与体积分数渐变的DSOC相，这些相可被位错剪切，在滑移过程中提供强化与能量耗散的双重作用，使塑性变形更均匀、硬化更持久。

PA与GSP状态的微观结构及变形机制对比

③ 点缺陷主导的梯度析出机制

基于第一性原理计算，研究发现PFZ区域的空位形成能（0.65eV）要低于基体（0.73eV），这也是为何在超高速变形下该区域更易形成高密度的空位，这些空位成为溶质富集的“核心”，驱动DSOC的室温生长，LSP三次循环后，表层DSOC化学富集度接近峰时效态，且体积分数更高，这种空位-溶质协同沉淀机制赋予合金独特的深度梯度与稳定性。