中科院金属所Acta Mater.：探索如何提高Cu-Al合金的疲劳强度

【引言】

材料的抗疲劳损伤能力一直是其力学性能的重要组成部分，与工程部件和设施的长期安全直接相关。前期研究表明，通过对金属材料进行强烈塑形变形(SPD)，产生超细晶粒(UFG)和纳米晶粒(NG)等微观结构，可以实现材料疲劳强度的提高。然而，以Cu为代表的纯金属经SPD处理后疲劳强度似乎达到了100MPa左右的饱和值，很难通过改善SPD加工过程来继续提高。值得注意的是，一些工程材料也出现了类似的趋势，包括高强度钢，铜合金和铝合金等。因此，如何提高金属材料的疲劳强度这一难题具有重要的理论和工程意义。

【成果简介】

近日，中国科学院金属研究所张哲峰教授与田艳中教授 (共同通讯作者)团队在Acta Mater.上发布了一篇关于铜铝合金疲劳强度的文章，题为“Exploring the fatigue strength improvement of Cu-Al alloys”。作者通过对材料结构的重新设计，研发出了具有超细晶粒和大比例孪晶界的Cu-Al合金，使其疲劳强度得到了显著提高。此外，作者在分析优化方法（微观结构优化和成分优化）的基础上，提出了降低疲劳损伤局部化的机制原理。第一作者为金属研究所刘睿博士。

【图片导读】

图1 疲劳强度与平均晶粒尺寸和抗拉强度关系图

(a) 纯Cu；

(b) Cu-5at.%Al;

(c) Cu-11at.%Al；

(d) Cu-15at.%Al。

图2 应力循环加载前后微观结构形态的对比

(a) 循环加载前的TEM图像；

(b) 循环加载后的TEM图像;

(c) 循环加载前的SEM-EBSD图像；

(d) 循环加载后的SEM-EBSD图像；

(e) 循环加载前后晶粒尺寸分布直方图；

(f) 循环加载前后晶粒取向分布直方图。

图3 样品表面疲劳裂纹的分布图

(a) 主裂纹区域(Δσ/2=340MPa)；

(b) 长裂纹区域(Δσ/2=340MPa)。

图4 疲劳强度与Al含量关系图

(a) 粗大晶粒(CG)；

(b) 细晶粒(AN-UFG);

(c) 超细晶粒(AN- FG);

(d) 强塑性变形纳米晶材料(SPD-NG)。

图5 Al含量对位错形貌和裂纹分布的影响

(a) 典型的位错形貌；

(b) 细晶粒中位错的结构;

(c) 超细晶粒中位错的结构;

(d) 表面裂纹分布（SEM-QBSD观察结果）。

图6 优化方法、微观机制和疲劳性能之间的关系

应变硬化和微观结构的稳定有助于疲劳损伤累积的减少和分散。基于上述分析，高疲劳强度材料的典型特征可归纳为：尺寸小、边界稳定的均匀晶粒、初始位错密度低以及合金成分合适。

【小结】

这篇文章通过系统的实验与分析，对几种常规强化方式（细晶强化、应变硬化、固溶强化和弥散强化）在提高疲劳强度方面的优势和局限进行了归纳，并由此提出优化材料疲劳性能的新思路。主要结论如下：

（1）疲劳性能的提高：细晶/超细晶铜铝合金因其具有尺寸细小均匀且界面稳定的晶粒、低初始位错密度以及适当的合金成分，展现出优于粗晶材料与强塑性变形纳米晶材料的抗疲劳性能。

（2）损伤机制的整合：尽管不同的优化方式对应着各异的机制原理，但均遵循着统一的规律，在微观上集中体现为位错滑移行为，在宏观上则表现对局部疲劳损伤累积的减弱与分散上。

（3）优化方法的耦合：单一优化方法自身的局限易导致材料疲劳强度的饱和，而不同优化方式的有机结合为打破这种限制提供了可能。通过基于统一的机制原理下优化方式的耦合，有望满足工业发展对材料抗疲劳性能不断提高的需求。

文献链接：Exploring the fatigue strength improvement of Cu-Al alloys  (Acta Mater., 11 November, 2017 , DOI: 10.1016/j.actamat.2017.11.019)

本文由材料人编辑部金属学术组jcfxs01供稿，材料牛编辑整理。

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