韦向和|赵玉良|赖家豪|甘白辉|刘欢|魏秋云|宋东富|孙振中|周亮|李晓虎|张伟文
中国广东省东莞市东莞理工学院机械工程学院，523808
**摘要**
Al-Zn-Mg-Cu合金在凝固过程中容易发生偏析和热裂纹。因此，我们提出采用挤压铸造工艺来消除这些缺陷，但其变形行为仍不清楚。通过原位同步辐射X射线/中子衍射和同步辐射X射线断层扫描技术，阐明了该合金的拉伸变形行为和强化机制。该合金的抗拉强度、屈服强度和延伸率分别为461 MPa、428 MPa和4.9%。微观结构主要由α-Al晶粒组成，同时还存在少量的Al2CuMg和纳米级的Al3(ScZr)及MgZn2（η′）相。Al2CuMg的树枝状或棒状形态体积分数为0.27%，平均局部厚度为4.40 ± 0.17 μm。由于中子和X射线的散射因子不同，仅能通过X射线方法获得Al2CuMg的衍射图谱。Al2CuMg的晶格应变在3.19%应变时达到峰值0.00785，随后减小，这直接证明了这种硬而脆的相在塑性变形过程中的断裂。Al2CuMg断裂后，载荷传递到基体，并通过Debye环的演变观察到晶粒旋转。通过同步辐射X射线衍射得到的Al(111)晶面的位错密度从5.8 × 10^14 m^-2增加到1.4 × 10^15 m^-2，表明了局部位错活动的增加。相反，中子衍射显示整体位错密度从5.8 × 10^14 m^-2增加到8.5 × 10^14 m^-2，可靠地反映了宏观应变硬化现象。这种互补的方法展示了结合同步辐射X射线/中子衍射在变形行为分析和后续工艺优化中的不可或缺的价值。
**引言**
Al-Zn-Mg-Cu合金因其高比强度、优异的断裂韧性和耐腐蚀性而被广泛应用于航空航天、铁路运输等领域[1][2]。由于传统铸造方法冷却速率较低，这些合金容易产生成分偏析、粗大的α-Al晶粒和次生相颗粒，以及缩孔和气孔等铸造缺陷[3][4][5]。这些微观不均匀性和缺陷在拉伸载荷下会成为应力集中点，从而恶化机械性能[6][7]。压力铸造（挤压铸造）可以有效地消除气孔并细化微观结构，从而改善机械性能。同时，了解次生相和铸造缺陷对合金机械性能的影响也至关重要[8][9][10]。许多研究表明，添加微量Zr和Sc是一种简单有效的解决方法[11][12][13][14]。Zr和Sc的添加在凝固过程中提供了形核位点，显著细化了Al晶粒[15]。此外，这些元素抑制了后续热处理过程中的晶粒再结晶，并抑制了时效过程中的沉淀物生长，从而提高了合金的整体机械性能[11][12][14]。魏等人[16]报告称，添加Sc和Zr有效细化了晶粒并显著提高了Al-Zn-Mg-Cu合金的机械性能。王等人[17]发现，在Al-Zn-Mg-Cu-Zr合金中添加超过一定浓度的Sc可以促进初级Al3(Sc,Zr)相的形成，细化晶粒，抑制共晶相的形成，并增加溶质浓度，从而提高机械性能。杨等人[18]报告称，增加Zr含量可以细化Al-Zn-Mg-Cu合金的晶粒。最佳添加量为0.2 wt.% Zr时机械性能得到改善，但过量Zr会导致性能下降。
**铸造**
Al-Zn-Mg-Cu合金在铸造过程中容易产生缩孔和气孔等凝固缺陷。挤压铸造通过强制喂料机制可以有效减轻这些缺陷，同时细化晶粒结构并提高冷却速率[19][20][21]。赵等人[21]将挤压铸造应用于Al-Mg-Mn-Fe-Cu合金，证明了该工艺不仅细化了晶粒尺寸和分散了第二相颗粒，还减少了缩孔和气孔缺陷，最终提高了合金的机械性能。
**原位拉伸分析技术**
传统的原位拉伸分析技术（如扫描电子显微镜（SEM）、电子背散射衍射（EBSD）和数字图像相关（DIC）本质上仅限于表面观察[22][23]。相比之下，高能同步辐射X射线衍射和中子衍射具有更强的穿透能力，能够实时、原位地研究材料的整体变形[24][25]。这些方法能够独特地探测单个晶粒和第二相颗粒在拉伸载荷下的响应[26][27][28][29]。先前的研究表明：同步辐射X射线衍射已被用于研究铸造工艺对Al-Cu合金变形的影响，发现超声波熔体处理和晶粒细化可以更有效地减轻富Fe相的不利影响[30]。魏等人[31]发现，增加Zr含量使Al9FeNi相的承载能力从350 MPa提高到1400 MPa。相反，赵等人[21]利用中子衍射发现，较高的Fe含量会形成更大的金属间化合物颗粒，从而增加位错密度。
**现有研究的局限性**
尽管已有许多关于Al-Zn-Mg-Cu合金的研究，但大多数集中在主要强化相（如η′）或高体积分数的共晶相上。相比之下，本研究提供了三个新的机制见解：(i) 直接跟踪了体积分数较低（0.27%）但有害的Al2CuMg相的晶格应变演变，揭示了其在3.19%应变时的断裂诱导应变松弛；(ii) 首次在局部（同步辐射X射线）和整体（中子）尺度上定量比较了位错密度的演变，表明Al2CuMg断裂会引发局部位错激增，而整体位错密度则呈单调增加；(iii) 通过Debye环的演变直接观察了Al2CuMg断裂时的晶粒旋转。这些发现超越了以往的原位研究[40][41]，后者要么未检测到次要相，要么缺乏尺度分辨的位错分析。
**结论**
本研究采用多尺度方法（结合SEM、EBSD、TEM、同步辐射X射线断层扫描和同步辐射X射线/中子衍射）研究了Al-Zn-Mg-Cu合金的变形行为。主要发现如下：
1. 合金的高强度主要归因于高密度η′和Al3(Sc,Zr)的沉淀强化作用。然而，硬而脆的Al2CuMg导致延伸率较低（4.9%）。
2. Al2CuMg(111)晶面在断裂后发生松弛，应变达到3.19%。
**作者贡献声明**
赖家豪：方法学研究；甘白辉：方法学研究；刘欢：方法学研究；魏秋云：方法学研究；李晓虎：方法学研究；张伟文：资源支持、方法学研究；韦向和：撰写初稿、方法学研究；赵玉良：撰写、审稿与编辑、监督、方法学研究、资金获取；宋东富：方法学研究；周亮：方法学研究。
**未引用参考文献**
[44][45]
**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的研究结果。
**致谢**
本研究得到了广东省基础与应用基础研究基金（项目编号2025A1515010039、2024A1515012542）和中国国家重点研发计划（项目编号2024YFE0109100）的财政支持。感谢中国散裂中子源（CSNS）工程材料衍射仪（网址：https://csns.cn/31113.02.CSNS.EMD）的工作人员在实验操作和数据分析方面提供的支持。
