近日，大连理工大学王同敏教授团队利用微旷科技自主研发的热力耦合原位台，结合同步辐射断层扫描技术，探究了Al-Cu-Li合金在热力加载下的微观结构演化。研究捕获了空洞的形核、生长和合并，以及裂纹的萌生和扩展行为。该成果被发表在《Journal of Materials Science & Technology》，第一作者为大连理工大学博士研究生刘福源，通讯作者为大连理工大学王同敏教授和郭恩宇教授。

论文标题: “Damage evolution and fracture mechanisms of Al–Cu–Li alloy during elevated temperature tensile deformation via in-situ synchrotron tomography”（基于原位同步辐射层析成像技术的Al-Cu-Li合金高温拉伸变形损伤演化与断裂机制）

1. 研究摘要

Al-Cu-Li合金因其高比强度和高比刚度被广泛应用于航空航天和军事领域。然而，在高温环境下，其力学性能会下降，表现为强度和损伤容限降低。本研究探究了Al-4.1Cu-1.3Li-0.4Mg-0.4Ag-0.5Zn-0.3Mn-0.1Zr合金在高温拉伸加载下的微观结构演化和损伤机制。在不同温度（100–200℃）的拉伸测试过程中进行了原位同步辐射断层扫描，以揭示其力学性能和损伤机制。随着拉伸温度的升高，屈服强度和抗拉强度从25℃时的694和739 MPa分别下降到200℃时的501和521 MPa，而延伸率从5.9%增加到12.0%。强度下降主要归因于T1析出相的溶解和粗化，且粗化速率随温度升高而加快。同时，几何必要位错密度降低，无析出区变宽，促进了应变局域化和晶界裂纹的萌生。原位同步辐射断层扫描揭示，空洞主要在T相附近形核。在100℃时，脆性断裂起始于T相，随后在这些区域形核空洞，空洞沿加载方向缓慢生长成椭圆形。当温度升至200℃时，T相与基体之间的界面强度降低，导致脱粘并成为主要的空洞形核机制。空洞通过塑性颈缩继续生长和合并，最终导致沿晶韧性断裂。

2. 研究材料与原位CT实验方法

2.1 研究材料

本试验所用Al–4.1Cu–1.3Li–Z（Z=0.4Mg-0.4Ag-0.5Zn-0.3Mn-0.1Zr，质量分数）合金，采用真空熔炼+后续挤压工艺制备，合金中的第二相主要为 Al₂₀Cu₂Mn₃（T）相，具体表征结果见图1和图2。

图1. S1 Al–4.1Cu–1.3Li–Z 合金的微观组织：(a)低倍扫描电子显微镜（SEM）图像；(b)图(a)红色方框区域的高倍 SEM 图像；(b1–b4)图 (b)的 EDS 元素面分布图；(c)反极图（IPF）；(d)晶粒取向差图谱；(e)几何必需位错（GND）图谱；(f)取向角分布图；(g)几何必需位错密度分布图

图2. Al–4.1Cu–1.3Li–Z合金中第二相的三维空间分布特征：(a)三维形貌；(b)球形度与等效直径的关联曲线；(c)等效直径的频率分布直方图；(d)体积占比随等效直径的变化曲线。

2.2 原位CT实验方法

实验采用微旷科技WK-XFunct 6005热力耦合原位台，结合同步辐射层析成像技术开展原位拉伸试验。如图3(a)所示，在 100℃、150℃、200℃温度下，实现材料损伤演化的四维（三维+时间）分析。

图3. 试验装置布局示意图：(a) 集成同步辐射层析成像系统的原位拉伸台；(b) 原位拉伸装置细节与试样尺寸

3. 原位CT研究结果

图4给出了合金在不同拉伸温度下的工程应力-应变曲线与对应的力学性能。随着温度升高，合金的屈服强度（YS）与极限抗拉强度（UTS）持续下降，而断后伸长率持续上升。

图4. (a)Al-4.1Cu-1.3Li-Z合金在高温拉伸测试下的工程应力-应变曲线及 (b)力学性能汇总，(c)本研究中Al-Cu-Li合金的高温拉伸强度与文献报道的铝合金高温强度对比。

图5为Al–4.1Cu–1.3Li–Z合金在不同高温下，原位拉伸过程的三维可视化结果。加载样品中感兴趣区域的体积为 1.72 mm³，原始试样中无孔洞存在。100℃条件下（图5 (a)），应变为2%（屈服阶段）时未检测到孔洞；当应变增至 5%时，试样发生轻微颈缩，出现大量分散孔洞，且主要沿挤压方向（ED）分布；随着应变进一步增加，合金沿与挤压方向呈45°的平面快速断裂，即使在断裂时刻，孔洞仍保持孤立状态，未发生明显的合并与开裂。

图5. 不同温度下原位同步辐射断层扫描显示的Al-4.1Cu-1.3Li-Z合金中微裂纹随工程应变增加的形成与演化三维可视化图像：(a)100℃，(b)150℃，(c)200℃。半透明灰色代表基体，蓝色代表空洞。

图6给出了不同拉伸温度下孔隙率的演化规律，包括孔洞体积分数随应变的变化，以及孔隙率沿拉伸方向的分布。100℃与150℃条件下，孔洞体积分数随应变的变化幅度较小；而200℃条件下，应变会诱导孔洞快速生长，当应变超过5%后，孔洞体积分数急剧上升（图6(a)）。这一转变反映了热激活的孔洞演化行为，即原子迁移率的提升加快了孔洞的形核、长大与合并。

图6. 拉伸温度对空洞体积分数和孔隙率分布的影响：(a)空洞体积分数随工程应变的变化；(b–d)不同测试温度下沿拉伸方向的孔隙率分布。

图7给出了不同拉伸温度下，孔洞球形度与等效直径的关联规律。100℃下（图7 (a,b)），应变达到 5%（断裂前）时，绝大多数孔洞仍保持近球形，仅少数孔洞沿挤压方向发生伸长；这些伸长孔洞的边缘具有高曲率，易引发应力集中。

图7. 拉伸温度对空洞球形度演化的影响：(a, b) 100℃，(c–e) 150℃，(f–i) 200℃。插图中显示了代表性空洞的形貌及相关信息。

图8(a-c)对应100℃下的测试样品，分别为应变2%、应变5%与断裂时刻的微观组织。应变2%时，大量T相随挤压方向分布，其周围未观察到孔洞（图8(a)中红色方框标注）；应变5%时，T相直接发生断裂，导致微孔在断裂位点形核（图8(b)中红色方框标注），而非与基体发生分离；断裂阶段（图8(c)），T 相断裂产生的孔洞构成了主裂纹路径，图8(c)中蓝色方框同样显示了T相断裂形成的孔洞。

图8. 不同温度拉伸变形过程中，从同步辐射断层扫描数据集获取的感兴趣区域（ROIs）的二维切片和三维微观结构：(a–c)100℃下，应变为ε=2%、ε=5%以及断裂时YZ截面的图像；(d, e)200℃下，应变为ε=7.5%时XZ和YZ截面的图像；(f) 200℃下断裂时YZ截面的图像。

4. 研究结论

本研究通过SEM、EBSD和TEM分析，结合原位同步辐射断层扫描技术，揭示了Al-4.1Cu-1.3Li-0.4Mg-0.4Ag-0.5Zn-0.3Mn-0.1Zr合金在高温拉伸下的微观结构演化和力学损伤机制。主要结论总结如下：

（1）随着拉伸温度从25℃升高至200℃，屈服强度从694 MPa降至501 MPa，抗拉强度从739 MPa降至521 MPa。相比之下，延伸率从25℃时的5.9%增加至200℃时的12.0%。

（2）抗拉强度的下降主要归因于T1析出相的逐渐溶解和粗化，且粗化速率随拉伸温度升高而加快。几何必要位错（GND）密度从100℃时的6.3×10¹⁴ m⁻²降至200℃时的4.1×10¹⁴ m⁻²。无析出区（PFZs）从100℃时的~60 nm拓宽至200℃时的~110 nm，促进了应变局域化和晶界裂纹的萌生。

（3）原位同步辐射断层扫描揭示了拉伸温度对损伤演化的影响。空洞主要在T相附近形核。在100℃时，脆性T相随应变增加逐渐断裂，引发空洞形核，这些空洞发展成与加载方向一致的椭圆形。该温度下有限的基体塑性增强了局部应力集中，导致沿45°穿晶路径断裂。随着温度升至200℃，T相与基体之间的界面强度降低，使得脱粘成为主要的空洞形核机制。随后的空洞通过塑性颈缩生长和合并，最终导致沿晶韧性断裂。

原始文献：

Liu F, Du Z, Wang G, et al. Damage evolution and fracture mechanisms of Al–Cu–Li alloy during elevated-temperature tensile deformation via in-situ synchrotron tomography[J]. Journal of Materials Science & Technology, 2026.

原文链接：

https://doi.org/10.1016/j.jmst.2026.01.049