中国科协2021重大科学问题解读铝合 [复制链接]

中国科协重大科学问题解读——铝合金超低温变形双增效应的物理机制是什么原创大工成形所中国机械工程学会

编者按：年以来，中国科协组织全国学会等科技共同体，面向广大科技工作者征集评选重大前沿科学问题和工程技术难题，在中国科协年会上发布。四年来，共评选、发布了个问题难题，余个学会参与推荐。中国机械工程学会连续四年参与推荐，并入选4个问题难题。本问题由大连理工大学高性能精密成形研究所提出。

标题解析

铝合金：以金属铝为基体，加入Cu、Mg、Si等元素形成的合金材料。铝合金密度为2.73g/cm3，约为钢的1/3。由于合金化作用，铝合金具有高比强度（单位质量提供的强度），而且表面形成保护膜，其耐腐蚀性能要远胜钢铁。

超低温双增效应：通常情况下，钢铁等金属材料深冷后出现冷脆，是十分有害的现象。包括铝合金在内的金属材料都是具有强度与塑性倒置的关系，即强度高、塑性低；强度低、塑性高。但是，我国学者研究发现，铝合金在超低温条件下强度与塑性同时增加，从而具有反常的塑性与硬化同时提高的双增效应。

工程背景

铝合金因具有高比强度、高比刚度和良好的抗腐蚀性能，成为火箭、飞机的主体结构材料，结构质量占比达50%以上。随着新一代运载火箭、飞机、高铁及新能源汽车对轻量化、大承载、高可靠、长寿命要求的大幅提升，迫切需求采用整体结构代替分体拼焊结构。但是，由于高强铝合金，尤其AlLi、AlZn合金等，常温塑性差、硬化能力低，整体成形时应力状态复杂，极易开裂，是长期困扰产业界的国际难题。热成形虽能提高铝合金塑性，但其出现软化现象，易导致其集中变形而发生局部变薄，其承载能力被降低。在制造此类整体结构铝合金薄壁曲面件时，现有的冷成形和热成形技术均面临巨大挑战，甚至无法克服的难题。

科学发现

铝合金在超低温条件下强度与塑性同时增加，从而具有反常的塑性与硬化同时提高的双增效应。在液氮温度（-℃）条件下，铝合金的延伸率（反映塑性高低）和硬化指数（反映硬化能力强弱）相对常温能提高约1倍（图1）。铝合金板材在液氮温度下的延伸率和硬化指数能够分别提高到45%和0.5以上。超低温条件下，铝合金不仅未冷脆，还显著提高变形能力，获得成形领域科学家梦寐以求的优异成形性能。

图1铝合金超低温双增效应

工程应用

利用铝合金在超低温度下延伸率/硬化指数同时提高的双增效应，苑世剑教授团队发明了铝合金薄壁曲面件超低温成形技术（Cryo-Forming）（图2）。目前，已对铝合金在超低温条件下双增效应进行了宏观描述，不同种类铝合金均具有显著的双增效应，主要受温度、合金元素和相组成影响；大连理工大学已经建成世界首台薄壁构件超低温成形设备，且在超低温条件下试制出铝合金3m级火箭整体箱底样件，以及铝锂（Al-Li）合金半球件，验证了超低温成形技术可行性。

图2超低温成形技术原理

科学问题

超低温下铝合金为什么具有反常的双增效应？为什么不同类型铝合金发生双增效应的临界转变温度不同？又为什么同一种铝合金，热处理状态不同，双增效应程度不同，且临界转变温度也不同？微观结构决定宏观性能，这些问题都需要从原子和微观层面的定量研究中给出答案。通常情况下，金属材料微观变形机制有位错滑移、晶界滑动和孪生等。变形机制不同，微观结构演变也就不同，从而表现出不同的宏观性能。只有原位表征微观结构演变，才能有效地揭示材料变形的物理机制。但是，实现超低温受力加载条件下的实时表征是十分困难的，不仅要保证电镜能在超低温条件下正常工作，还要施加应力，让试样在电镜里变形，需要突破超低温原位加载可视化表征关键技术,研发出专用测试装置。如能实现超低温下铝合金微观变形多维可视化观察和表征，从原子结合能、多晶-第二相-合金元素相互作用角度揭示超低温双增效应的物理机制，将取得重要科学突破。

重要意义

通过破解超低温下双增效应的微观机制，建立超低温成形技术体系，发展出与现有冷成形、热成形并列的第三大类成形制造技术，为大尺度铝合金、铝锂合金整体结构薄壁曲面构件提供新一代成形技术，解决我国航天航空高端装备铝合金整体结构的难题，推动重型运载火箭、大型飞机、高铁等国之重器的发展。并且，利用超低温双增效应还可制备超细晶、超宽板幅、超薄铝合金材料，解决高性能铝合金材料制备难题，显著提升铝合金板材制造水平。

研究团队

本问题是由大连理工大学高性能精密成形研究所提出，欢迎有兴趣的读者与凡晓波（）联系。

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原标题：《中国科协重大科学问题解读——铝合金超低温变形双增效应的物理机制是什么》