基于六种未耦合延性断裂准则的冷轧结合Al/Cu多层金属复合板断裂行为预测与独立验证

《Journal of Materials Research and Technology》：Prediction of fracture behavior in cold roll-bonded multilayer metallic composite sheets using ductile fracture criteria

　　

本研究采用Ayada、Rice–Tracy、Brozzo、Oh、Oyane–Sato和Ko–Huh六种未耦合延性断裂准则（uncoupled ductile fracture criteria）研究冷轧结合（cold roll bonding, CRB）Al/Cu多层板的断裂行为。考察了五种材料，包括纯铝（AA1050）、纯铜、Al/Al双层、Al/Cu双层和Cu/Al/Cu三层复合材料。断裂模型的校准采用实验测试、理论分析和数值模拟相结合的混合方法，随后通过独立的平面应变拉伸试验（plane-strain tensile tests）进行验证。结果表明，未耦合断裂准则的预测能力强烈依赖于材料。Brozzo准则对Al/Al双层给出最高精度（误差1.6%），Oh准则对Al/Cu双层表现最佳（误差0.1%），Ko–Huh准则对Cu/Al/Cu三层给出最接近预测（误差1.8%）。对校准断裂轨迹（fracture loci）的比较进一步表明，预测精度由断裂准则的应力状态敏感性与多层架构损伤演化之间的兼容性决定，而非任何单一模型的内在优越性。这些发现表明，没有单一断裂准则可普遍适用于CRB多层板。尽管如此，Ko–Huh和Oyane–Sato准则在所研究的多层构型中表现出相对一致的表现，表明在本研究考察的应力状态范围内，它们可被视为所研究多层板断裂预测的合适候选。

研究背景与问题：Al/Cu多层金属复合板结合了铜的高导电/导热性与铝的低密度、耐蚀性和成本优势，被用于热交换器、母排、锂离子电池极耳、电子封装和轻量化结构件。冷轧结合（cold roll bonding, CRB）作为固态连接方法，无需熔化、填充材料或高温设备，适合连续大规模生产，并可避免熔焊相关缺陷。然而，CRB多层板的断裂行为受组分材料、加工历史和界面特征共同影响。已有研究多集中于显微组织、力学性能、界面结合或实验失效模式，对未耦合延性断裂准则在CRB多层板中从校准应力状态外推到不同加载条件下的预测能力关注不足；多层架构如何影响不同准则预测能力，也尚未在同一实验—数值框架内得到系统评估。因此，研究人员在共同框架下校准六种单参数唯象断裂准则，并以独立平面应变拉伸进行验证，以识别架构依赖的准则性能，并为CRB多层板断裂预测提供依据。

研究开展与意义：研究人员制备了AA1050纯铝和纯铜CRB多层板，考察Al/Al双层、Al/Cu双层和Cu/Al/Cu三层三种构型；以单轴拉伸为校准条件，以平面应变拉伸为独立验证条件，比较Ayada、Rice–Tracy、Brozzo、Oh、Oyane–Sato和Ko–Huh六种未耦合延性断裂准则的预测误差。研究结论表明，CRB多层板断裂行为不仅受组分材料影响，也受层架构影响；非对称Al/Cu双层断裂应变最低，而引入对称Cu/Al/Cu三层后断裂应变提高。六种准则虽用同一单轴拉伸数据校准，但预测断裂轨迹差异显著，说明单一加载条件校准不能保证其他应力状态下的可靠预测。最佳准则随多层构型变化：Al/Al双层以Brozzo最佳，Al/Cu双层以Oh最佳，Cu/Al/Cu三层以Ko–Huh最佳。总体上，没有单一未耦合延性断裂准则普遍适用于CRB多层复合板；预测精度取决于准则的应力状态敏感性与特定多层架构损伤演化之间的兼容性。若必须选择单一准则，Oyane–Sato和Ko–Huh在本研究三种复合板及所考察应力状态范围内表现相对一致。该研究为CRB多层板断裂准则选择、材料专用校准和独立验证提供了实验—数值依据。

关键技术方法（不超过250字）：材料来源为AA1050纯铝和纯铜板材（初始厚度1 mm），经退火、表面清理、叠层和绑扎后，采用半工业二辊轧机制备Al/Al双层、Al/Cu双层和Cu/Al/Cu三层CRB板。通过单轴拉伸结合数字图像相关（digital image correlation, DIC）获取等效塑性断裂应变（equivalent plastic strain at fracture, ε?_f^p）并拟合Swift硬化律（Swift hardening law）；通过三重复平面应变拉伸提供独立验证；采用有限元（finite element, FE）C3D8R实体单元、0.25 mm网格和VUSDFLD子程序提取应力三轴度（stress triaxiality, η）与归一化Lode角参数（normalized Lode angle parameter, NLAP, θ?），在等效均质模型中校准六种准则的临界损伤值（critical damage value, D_c），并以平面应变实验计算预测误差。

3.1 延性断裂准则的校准：研究人员以单轴拉伸为校准试验，结合DIC确定断裂瞬间，并由FE提取临界单元的η和θ?。结果显示，铝、铜和Al/Cu双层在整个加载过程中θ?约为0.97–1.00，η平均值约0.32–0.33且变化小于0.05，与单轴拉伸理论值η=1/3、θ?=1一致，支持将单轴应力状态作为校准条件。用实验断裂应变和该应力状态计算六种准则的D_c。AA1050、Cu、Al/Al、Al/Cu和Cu/Al/Cu的校准断裂应变分别约为0.142、0.375、0.027、0.018和0.021；其中Al/Al较单体铝降低约81%，Al/Cu最低，Cu/Al/Cu较Al/Cu高约17%。该部分结论是：在等效均质FE框架下，单轴拉伸应力状态近比例且与理论值一致，可用于六种准则校准；但宏观应力状态一致不代表各层局部应力状态相同，界面附近局部历史未被显式解析。

3.2 平面应力条件下的断裂极限：研究人员将校准后的准则在平面应力条件下、0≤η≤0.6范围内外推，构建断裂应变随η变化的模型预测断裂轨迹。结果表明，不同准则的轨迹形状差异明显：Ayada对三轴度最敏感，低η时断裂应变急剧变化；Oh对三轴度最不敏感，轨迹近水平；Rice–Tracy和Oyane–Sato居中。高η下所有准则预测断裂应变趋低，反映静水拉伸促进空洞长大的趋势；低η近剪切条件下准则间差异显著。对Al/Al、Al/Cu和Cu/Al/Cu，模型预测轨迹分别被压缩到较低应变水平，Al/Cu最低，Cu/Al/Cu介于Al/Al与Al/Cu之间。该部分结论是：同一校准条件下不同准则的外推轨迹差异源于数学形式和应力状态敏感性；这些轨迹是模型预测结果，不是完整实验断裂轨迹，需独立验证。

3.3 断裂模型评估：研究人员以平面应变拉伸（η约0.55–0.60，θ?约0）对三种CRB复合板进行独立验证。Al/Al双层实验断裂点为η=0.55、ε?_f^p=0.0245，Brozzo误差最低（1.6%），其次为Ko–Huh（8.1%）、Oyane–Sato（17.2%）、Rice–Tracy（20.8%）、Oh（23.4%）和Ayada（33.9%）。Al/Cu双层中Oh误差最低（0.1%），Rice–Tracy（3.5%）、Oyane–Sato（8.1%）、Ayada（13.6%）次之，Ko–Huh（20.1%）和Brozzo（28.5%）误差较大。Cu/Al/Cu三层中Ko–Huh误差最低（1.8%），Oyane–Sato（8.3%）、Brozzo（9.0%）、Rice–Tracy（12.2%）、Oh（15.1%）和Ayada（26.7%）依次增大。该部分结论是：没有单一准则普遍适用；最佳准则取决于多层架构，预测准确性与准则应力状态敏感性和该构型实验断裂响应之间的匹配程度有关；Oyane–Sato和Ko–Huh在三种构型中相对一致，在本研究应力状态范围内可作为候选；相邻准则的小误差差异应与实验散差一并谨慎解释。

讨论部分总结：原文讨论强调，FE采用等效均质模型，未显式解析Al/Cu各层应变分配、界面局部应力集中、界面脱粘或分层，因此计算的η和θ?代表宏观临界变形区而非各层真实局部应力状态；界面相关损伤、应变局部化、空洞演化和裂纹扩展被原文作为解释观察差异的可能物理机制，而非本实验和FE直接证实的机制，需断口分析和截面界面显微表征进一步确认。原文还指出，平面应变重复试验断裂位移标准差小于对应均值的2%，但接近性能准则之间的排名差异不宜过度解释；验证仅覆盖从单轴拉伸到平面应变拉伸的应力状态转变，未覆盖剪切、双轴拉伸、弯曲和非比例多轴加载。

研究结论（翻译）：CRB多层板的断裂行为不仅受组分材料影响，也受层架构影响；在所研究构型中，非对称Al/Cu双层断裂应变最低，而引入对称Cu/Al/Cu构型后断裂应变较高。六种准则虽用同一单轴拉伸数据校准，但预测断裂轨迹因数学形式和应力状态敏感性不同而差异显著，说明单一加载条件下校准成功并不必然保证不同应力状态下预测可靠；这些差异应解释为从共同校准条件外推后的模型预测响应差异，而非材料固有应力状态依赖性或完整断裂轨迹的直接实验证据。对Al/Al双层，Brozzo预测最准确，Ko–Huh次之，Brozzo的较好表现与其对应力状态变化的中等敏感性有关。对Al/Cu双层，Oh预测精度最高，Rice–Tracy相近，表明在所研究加载条件下弱三轴度敏感性准则与实验断裂响应更一致。对Cu/Al/Cu三层，Ko–Huh与实验最吻合，Oyane–Sato次之，Ko–Huh对应力三轴度和Lode参数的平衡依赖给出最可靠预测。验证结果明确表明，没有单一未耦合延性断裂准则普遍适用于CRB多层复合板；预测精度取决于准则固有应力状态敏感性与特定多层架构损伤演化之间的兼容性。尽管没有普遍最优准则，若必须选择单一准则预测断裂极限，Oyane–Sato和Ko–Huh在本研究Al/Al、Al/Cu和Cu/Al/Cu三种复合板及所考察应力状态下提供了相对可靠的结果；但其对剪切、双轴拉伸、弯曲和非比例多轴加载等其他成形应力状态和加载路径的适用性，不能由现有验证数据建立，仍需进一步实验研究。

原文作者：Amir Hossein Bakhshi|Hossein Talebi-Ghadikolaee|Mohammad Honarpisheh|Ramin Hashemi