中科院金屬所Acta Mater.：探索如何提高Cu-Al合金的疲勞強度

【引言】

材料的抗疲勞損傷能力一直是其力學性能的重要組成部分，與工程部件和設施的長期安全直接相關。前期研究表明，通過對金屬材料進行強烈塑形變形(SPD)，產生超細晶粒(UFG)和納米晶粒(NG)等微觀結構，可以實現材料疲勞強度的提高。然而，以Cu為代表的純金屬經SPD處理后疲勞強度似乎達到了100MPa左右的飽和值，很難通過改善SPD加工過程來繼續提高。值得注意的是，一些工程材料也出現了類似的趨勢，包括高強度鋼，銅合金和鋁合金等。因此，如何提高金屬材料的疲勞強度這一難題具有重要的理論和工程意義。

【成果簡介】

近日，中國科學院金屬研究所張哲峰教授與田艷中教授?(共同通訊作者)團隊在Acta Mater.上發布了一篇關于銅鋁合金疲勞強度的文章，題為“Exploring the fatigue strength improvement of Cu-Al alloys”。作者通過對材料結構的重新設計，研發出了具有超細晶粒和大比例孿晶界的Cu-Al合金，使其疲勞強度得到了顯著提高。此外，作者在分析優化方法（微觀結構優化和成分優化）的基礎上，提出了降低疲勞損傷局部化的機制原理。第一作者為金屬研究所劉睿博士。

【圖片導讀】

圖1 疲勞強度與平均晶粒尺寸和抗拉強度關系圖

(a) 純Cu；

(b) Cu-5at.%Al;

(c) Cu-11at.%Al；

(d) Cu-15at.%Al。

圖2 應力循環加載前后微觀結構形態的對比

(a) 循環加載前的TEM圖像；

(b) 循環加載后的TEM圖像;

(c) 循環加載前的SEM-EBSD圖像；

(d) 循環加載后的SEM-EBSD圖像；

(e) 循環加載前后晶粒尺寸分布直方圖；

(f) 循環加載前后晶粒取向分布直方圖。

圖3 樣品表面疲勞裂紋的分布圖

(a) 主裂紋區域(Δσ/2=340MPa)；

(b) 長裂紋區域(Δσ/2=340MPa)。

圖4 疲勞強度與Al含量關系圖

(a) 粗大晶粒(CG)；

(b) 細晶粒(AN-UFG);

(c) 超細晶粒(AN- FG);

(d) 強塑性變形納米晶材料(SPD-NG)。

圖5 Al含量對位錯形貌和裂紋分布的影響

(a) 典型的位錯形貌；

(b) 細晶粒中位錯的結構;

(c) 超細晶粒中位錯的結構;

(d) 表面裂紋分布（SEM-QBSD觀察結果）。

圖6 優化方法、微觀機制和疲勞性能之間的關系

應變硬化和微觀結構的穩定有助于疲勞損傷累積的減少和分散。基于上述分析，高疲勞強度材料的典型特征可歸納為：尺寸小、邊界穩定的均勻晶粒、初始位錯密度低以及合金成分合適。

【小結】

這篇文章通過系統的實驗與分析，對幾種常規強化方式（細晶強化、應變硬化、固溶強化和彌散強化）在提高疲勞強度方面的優勢和局限進行了歸納，并由此提出優化材料疲勞性能的新思路。主要結論如下：

（1）疲勞性能的提高：細晶/超細晶銅鋁合金因其具有尺寸細小均勻且界面穩定的晶粒、低初始位錯密度以及適當的合金成分，展現出優于粗晶材料與強塑性變形納米晶材料的抗疲勞性能。

（2）損傷機制的整合：盡管不同的優化方式對應著各異的機制原理，但均遵循著統一的規律，在微觀上集中體現為位錯滑移行為，在宏觀上則表現對局部疲勞損傷累積的減弱與分散上。

（3）優化方法的耦合：單一優化方法自身的局限易導致材料疲勞強度的飽和，而不同優化方式的有機結合為打破這種限制提供了可能。通過基于統一的機制原理下優化方式的耦合，有望滿足工業發展對材料抗疲勞性能不斷提高的需求。

文獻鏈接：Exploring the fatigue strength improvement of Cu-Al alloys ?(Acta Mater., 11 November, 2017 , DOI: 10.1016/j.actamat.2017.11.019)

本文由材料人編輯部金屬學術組jcfxs01供稿，材料牛編輯整理。

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