【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(chǎn)生超細晶粒（UFG）和納米晶粒（NG）等微觀結(jié)構，可以實現(xiàn)材料疲勞強度的提高。然而，以Cu為代表的純金屬經(jīng)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(xù)提高。值得注意的是，一些工程材料也出現(xiàn)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(fā)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(jié)構的重新設計，研發(fā)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(yōu)化方法（微觀結(jié)構優(yōu)化和成分優(yōu)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(huán)加載前后微觀結(jié)構形態(tài)的對比

    （a） 循環(huán)加載前的TEM圖像；

    （b） 循環(huán)加載后的TEM圖像；

    （c） 循環(huán)加載前的SEM-EBSD圖像；

    （d） 循環(huán)加載后的SEM-EBSD圖像；

    （e） 循環(huán)加載前后晶粒尺寸分布直方圖；

    （f） 循環(huán)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(qū)域（Δσ/2=340MPa）；

    （b） 長裂紋區(qū)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(jié)構；

    （c） 超細晶粒中位錯的結(jié)構；

    （d） 表面裂紋分布（SEM-QBSD觀察結(jié)果）。

    圖6 優(yōu)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(jié)構的穩(wěn)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(wěn)定的均勻晶粒、初始位錯密度低以及合金成分合適。

    【小結(jié)】

    這篇文章通過系統(tǒng)的實驗與分析，對幾種常規(guī)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(yōu)勢和局限進行了歸納，并由此提出優(yōu)化材料疲勞性能的新思路。主要結(jié)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(wěn)定的晶粒、低初始位錯密度以及適當?shù)暮辖鸪煞郑宫F(xiàn)出優(yōu)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(yōu)化方式對應著各異的機制原理，但均遵循著統(tǒng)一的規(guī)律，在微觀上集中體現(xiàn)為位錯滑移行為，在宏觀上則表現(xiàn)對局部疲勞損傷累積的減弱與分散上。

    （3）優(yōu)化方法的耦合：單一優(yōu)化方法自身的局限易導致材料疲勞強度的飽和，而不同優(yōu)化方式的有機結(jié)合為打破這種限制提供了可能。通過基于統(tǒng)一的機制原理下優(yōu)化方式的耦合，有望滿足工業(yè)發(fā)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）

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責任編輯：王元

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