| 介绍: |
本研究基于搅拌摩擦加工（FSP）技术，系统探究了6061铝合金微观组织演变、力学性能及疲劳性能的调控机制，重点阐明了晶粒尺寸、析出相分布、位错密度及高角晶界（HAGB）比例对材料疲劳性能的协同作用规律，并提出多尺度组织优化策略。通过调控FSP工艺参数及后处理工艺，实现了铝合金强度与疲劳性能的协同提升，为高性能铝合金的工程应用提供了理论依据与技术支撑。主要研究结论如下：（1）通过优化FSP转速并引入强制水冷工艺，成功制备了纳米球状析出相强化的超细晶6061铝合金。微观组织的双重细化（晶粒+析出相）显著提升了沉淀强化与晶界强化效果，UFG-6061的屈服强度和抗拉强度分别达到400 MPa和433 MPa，较粗晶材料提升约150%。然而，超细晶结构的位错存储能力下降导致伸长率降低至8.3%，表现出强度-塑性的倒置关系。 （2）晶粒细化与析出相协同作用显著改善了材料的抗疲劳性能。UFG-6061的疲劳极限由粗晶态的130 MPa提升至240 MPa，增幅达84.6%。晶粒尺寸减小促使疲劳开裂机制由粗晶材料的滑移带主导型转变为晶界主导型，高角晶界比例增加提高了滑移带扩展阻力。FSP超细晶铝合金具有较高的疲劳强度指数，表明其在循环载荷下具有优异的抗疲劳损伤能力。（3）通过对比等通道转角挤压（ECAP）与FSP工艺，发现高角晶界（HAGBs）比例与疲劳强度呈正相关性。ECAP-4P（57.1% HAGBs）、ECAP-8P（77.1%）及FSP超细晶（FSP-UFG, 83.2%）的疲劳极限分别为210 MPa、220 MPa和230 MPa。高比例HAGBs可阻碍剪切带形成，降低局部应力集中。疲劳强度系数随HAGBs增加而增长，而疲劳强度指数则线性下降，证实优化HAGBs比例是提升疲劳强度的有效途径。（4）采用冷轧工艺在超细晶铝合金中引入高密度晶内位错，使其疲劳极限提升至260 MPa。晶内位错与纳米析出相协同作用，阻碍位错滑移并减缓晶界应力集中，从而提高疲劳性能。对比ECAP-8P（冷轧后疲劳强度240 MPa），FSP-UFG因更高的HAGBs（83.2% vs 77.1%）表现出更优的组织稳定性。通过低温短时时效（140 ℃/10 min）处理，FSP-UFG中析出相密度增加，钉扎效应增强使其疲劳极限达242 MPa。进一步结合20%变形量冷轧处理，疲劳强度显著提升至300 MPa，较商业6061-T6（130 MPa）提高130%，并超越7075-T6铝合金（275 MPa）。该工艺通过“析出相-位错-晶界”多尺度协同作用，实现抗拉强度与疲劳强度的同步优化。本研究揭示了超细晶铝合金“组织-性能”映射关系的多尺度作用机制，提出的“晶界优化+低温时效+位错调控”复合工艺为开发高强高疲劳抗性铝合金提供了创新性解决方案，具有重要的工程应用价值。
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