在现代工业中，由于铝合金具有优异的比强度、良好的成型性、出色的耐腐蚀性和低成本优势，已成为航空航天、交通运输和国防领域的核心结构材料[1]、[2]、[3]、[4]。其中，2xxx系列（Al-Cu-Mg）铝合金因其出色的强度-韧性平衡而被广泛应用于飞机机身蒙皮和机翼下缘等关键承力部件[5]。作为该系列中最成熟的合金，2024铝合金因其高抗拉强度、高屈服强度和优异的疲劳抗力而成为高载荷结构的首选材料[6]、[7]、[8]。随着航空航天器速度的提高和飞行距离的延长，迫切需要继续提升2024铝合金的拉伸性能和疲劳性能[9]。
晶界处的无析出物区（PFZ）是影响铝合金拉伸性能和疲劳性能的关键微观结构特征。位错在PFZ/基体界面处的堆积会导致局部应变集中，从而降低材料强度。研究表明，PFZ宽度与材料强度之间存在显著的负相关关系[10]。通常，较窄的PFZ可以减少应变局部化，提高基体的变形适应性。其背后的微观机制是：窄PFZ不仅限制了晶界处的塑性局部化，还通过密集的晶界析出物阻碍了位错在界面处的运动[11]。此外，PFZ还是铝合金疲劳损伤起始的重要微观位置。在循环载荷作用下，应力集中优先发生在较软的PFZ区域内，导致位错堆积和应变局部化，进而引发疲劳裂纹。因此，较窄的PFZ有助于提高铝合金的疲劳性能[12]。张等人[13]通过预疲劳和再时效处理成功细化了PFZ宽度，从而提高了合金的疲劳抗力。
此外，位错滑移模式也对铝合金的疲劳性能有显著影响。合金的时效状态决定了位错与析出物之间的相互作用机制。在未时效的合金中，析出物是可剪切的，导致平面滑移；而在过时效的合金中，析出物是不可剪切的，迫使位错通过Orowan机制绕过析出物，从而产生波状滑移。因此，在未时效合金中容易发生长程位错滑移，导致晶界或自由表面处产生更严重的应力集中和疲劳损伤。相比之下，过时效合金中不可剪切析出物的阻碍作用使位错滑移距离缩短，从而减少了晶界或表面的损伤[14]、[15]、[16]。
因此，通过工艺控制实现窄PFZ和引入不可剪切析出物有望提高合金的疲劳强度。传统的2xxx系列铝合金加工流程包括冷变形后的解析处理，随后进行时效处理。然而，解析处理会导致位错从变形状态恢复，形成再结晶微观结构。由于位错可能在时效过程中成为析出物的晶核[17]、[18]，保留变形诱导的位错后再进行时效处理，有助于实现析出物的更均匀分布[19]。
因此，本研究提出了一种新的2024铝合金加工工艺：先进行解析处理，然后进行冷锻，最后进行低温时效。具体而言，首先进行解析处理以形成过饱和固溶体；接着通过冷锻产生高密度的位错，为后续析出提供大量晶核；随后在较低温度（150°C）下进行过时效处理，以促进不可剪切析出物的均匀析出。这种复合工艺旨在获得细小、均匀且不可剪切的基体析出物以及窄化的PFZ。系统评估了采用该工艺处理的2024铝合金的拉伸性能和疲劳性能，并深入探讨了其强化机制及影响疲劳性能提升的因素。本研究旨在为设计高强度和耐疲劳的2xxx系列铝合金提供有益的参考。
