单相铜铝合金成分、组织与拉伸性能定量关系研究

As the basic mechanical properties of metallic structural materials, tensile strength and elongation are of great significance to the exploration and application of materials. However, at present, the relationships among microstructure, tensile strength and plasticity are only qualitative descriptions, and there is a lack of quantitative relations with clear physical meaning. Therefore, single-phased Cu-Al alloys will be employed as the model materials in this project. By changing the content of Al elements and adjusting rolling and heat treatment process, Cu-Al alloys with different composition and microstructure will be prepared. Then, tensile tests and microstructure evolution will be carried out and characterized systematically to quantitatively reveal the influences of the composition and structure of Cu-Al alloys on the microscopic deformation mechanisms and working-hardening behaviors by extracting key microstructure parameters. Through combining multi-scale computational simulation and plastic deformation theories, a new work-hardening model containing material composition and microstructure parameters will be developed, so that the quantitative relationship among material composition, key microstructure parameters and macroscopic tensile properties will be established. Finally, the rapid prediction and evaluation of the tensile properties of the materials will be achieved, which provides quantitative principles for the engineering design and selection and property optimization of metallic materials.

拉伸强度和延伸率作为金属结构材料基本力学性能，对材料研发与应用具有重要意义。然而，目前对于材料微观组织与拉伸强度、塑性之间的关系却仅限于定性描述，缺乏具有明确物理意义的定量关联。因此，本项目以模型材料单相铜铝合金为研究对象，通过改变合金元素含量及调整冷轧、热处理工艺制备不同成分、组织铜铝合金，系统开展拉伸实验及微观组织演化表征，提炼关键微观组织参数，定量研究合金成分、组织对微观变形机制及加工硬化行为的影响；通过结合多尺度计算模拟及相关塑性变形理论，构建含有合金成分与组织参数的全新加工硬化模型，建立材料成分、关键组织参数与宏观拉伸性能之间的定量关系，最终实现材料拉伸性能快速预测与评价，为工程选材设计与性能优化提供定量原理。

拉伸强度和塑性是结构材料最基本的力学性能，虽然有大量实验表明二者呈现倒置关系，且受材料成分、组织影响。然而，这些研究都仅停留在定性层面，缺乏一般定量关系。申请人在本项目的支持下，以模型材料铜铝合金为研究对象，系统开展了成分与组织对拉伸性能影响研究。在揭示微观变形机制研究的基础上，提出了新的位错湮灭模型，并通过考虑初始组织状态与合金成分对加工硬化的影响，建立了单相金属材料普适性硬化模型—指数硬化（ESH：Exponential Strain-Hardening）模型，并据此首次推导出单相金属材料拉伸应力-应变定量关系。其中硬化指数n为位错湮灭距离的表达式，可反映合金成分的影响；而η为初始缺陷对屈服强度非位错性贡献的比例，反映微观组织的影响。模型得到了6种合金成分、100余种不同微观组织状态单相铜铝合金的实验验证。该ESH模型阐明了单相金属材料形变过程中一些重要规律：1）用一个参数(n)统一了五阶段加工硬化规律；2）揭示了极限强度、临界强度、真抗拉强度与成分及变形机制之间关系；3）首次推导出“屈服强度—抗拉强度—均匀延伸率”之间定量关系；4）定量揭示了拉伸强度-塑性同步提升的两个基本原则，即成分优化（提升位错滑移平面性）与组织优化（降低初始高能缺陷），在铜合金、镍基合金、TWIP钢、高氮钢、316L不锈钢等单相合金中均得到了系统性实验验证；5）实现了单相铜铝合金拉伸强度、塑性及拉伸应力-应变曲线的定量预测。基于该ESH模型，进一步揭示了三类变形铝合金（2xxx、6xxx、7xxx）拉伸强度和塑性随时效时间变化的共性转变规律与机制，建立了三类铝合金加工硬化指数与析出相性质及几何特征之间的定量关系，提出了变形铝合金加工硬化能力提升的析出相控制原理；同时也在增材制造钛合金中提出了强度塑性同步提升原理，实现了增材制造TC4合金同步强韧化。在项目资助下，在Acta Mater (2篇连载)、Addit Manufact (1)、J Mater Sci Technol (6)、Mater Sci Eng A 等刊物上发表SCI论文22 篇，其中第一作者论文3篇（包括2篇连载Acta Mater），通讯作者论文13篇。