《Composites Communications》：Fracture mode control in Cu/Al bimetals via thermomechanical coupling and stress-driven crack initiation at intermetallic interfaces
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•在530°C下确定了裂纹临界加工的最佳条件，此时晶粒细化到12–15 μm，Al4Cu9颗粒的离散分布抑制了裂纹的的产生，使压缩屈服强度达到峰值（78 MPa），同时没有丧失拉伸韧性。•在脆性的金属间化合物（IMC）簇处，测得应力集中系数高达3.2，局部应力（220 MPa）引
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在530°C下确定了裂纹临界加工的最佳条件，此时晶粒细化到12–15 μm，Al4Cu9颗粒的离散分布抑制了裂纹的的产生，使压缩屈服强度达到峰值（78 MPa），同时没有丧失拉伸韧性。
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在脆性的金属间化合物（IMC）簇处，测得应力集中系数高达3.2，局部应力（220 MPa）引发了裂纹的扩展，导致了灾难性的脆化现象。
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建立了抗裂设计的定量断裂力学标准：金属间化合物层厚度为3–5 μm，界面硬度为70–75 HV，应力集中系数低于2.5。
引言
铜铝双金属复合材料因其在电力传输、航空航天和汽车领域的应用而受到持续研究关注，在这些领域中，铜的电导率和铝的轻量化特性至关重要[1,2]。然而，这些材料的实际应用受到了制造过程中形成的IMC导致的界面裂纹的严重限制[3,4]。Cu-Al二元体系具有复杂的相平衡，包括Al2Cu、AlCu和Al4Cu9相，这些相的断裂性能差异显著。Al2Cu具有中等的韧性，而Al4Cu9和AlCu本质上是脆性的，因此成为裂纹萌生和扩展的优选位置[5,6]。IMC形成动力学的温度敏感性构成了一个加工难题：高温促进了原子扩散和键合增强，但同时也加速了脆性相的生长，从而降低了抗裂性能[7,8]。最近，挤压剪切工艺被探索为解决这一难题的一种有前景的方法，但温度依赖的界面演变及其与力学性能之间的机制联系需要系统 quantification[9,10]。
先前的研究已经表征了通过水平连续铸造[1,2]、摩擦搅拌焊接[11,12,13,14]和累积轧制[15,16]制造的Cu/Al界面处的IMC层厚度和相组成。这些研究建立了加工参数与结合强度之间的经验关系；然而，界面相演变与宏观裂纹萌生之间的机制联系尚未得到充分解决。具体而言，动态再结晶（有利于提高断裂韧性）与IMC增殖（损害抗裂性）之间的竞争性相互作用尚未被量化，使得工程师无法选择临界温度窗口[17,18]。此外，铜和铝基底在复合加载下的非对称力学响应使得界面裂纹模式和裂纹路径的选择变得复杂[19,20]。
最近的理论和实验进展强调了界面微观结构在控制双金属复合材料力学性能中的关键作用。例如，结合模拟和实验的方法揭示了在Al/Mg双金属系统中，脆性相簇处的应力重分布是裂纹萌生的关键触发因素[21]。对Mg/Al双金属界面的研究进一步表明，金属间化合物的形态和分布直接决定了复合材料的剪切强度和整体损伤容忍度[22]。此外，对界面相演变的高层次分析表明，从基底控制失效到界面控制失效的转变从根本上取决于金属间化合物层是形成连续的脆性壳层还是离散颗粒[23]。这些发现强调了整合微观结构表征、力学测试和数值模拟以建立预测性断裂标准的必要性，特别是对于像Cu/Al这样的系统，其中温度敏感的IMC生长引入了复杂的加工-结构-性能关系。
挤压剪切工艺通过剧烈的塑性变形和高温暴露来增强界面结合[24,25]。这种混合技术使双金属界面同时承受压缩和剪切应力，产生绝热加热效应，叠加在外部加工温度上，形成了复杂的热梯度[26]。由此产生的热机械耦合引入了非单调的温度依赖性，这混淆了直观的工艺设计：适中的温度可能细化晶粒结构并提高断裂韧性，而过高的温度则会引发IMC聚集和过早的裂纹萌生[27,28]。缺乏结合力学性能评估、定量断口分析和应力驱动裂纹萌生数值模拟的综合性研究，阻碍了为挤压剪切Cu/Al复合材料建立断裂力学标准的进展。
本研究旨在通过系统表征在500°C、530°C和560°C下制造的Cu/Al复合材料来解决这些不足，这些温度涵盖了从扩散受限到IMC生长加速的转变范围。具体目标是：(i)量化动态再结晶与IMC形成之间的温度依赖性竞争；(ii)通过定量断口分析将界面相结构与裂纹模式转变相关联；(iii)通过热机械耦合的应力重分布和裂纹萌生数值模拟来验证实验观察结果；(iv)为可靠性关键应用建立抗裂界面的定量设计标准。
有必要将本研究的范围与我们之前关于挤压剪切Cu/Al复合材料的工作[9]区分开来。之前的研究通过综合SEM-EDS、XRD和EBSD表征，确定了500–560°C温度范围内的界面结合机制、相演变和拉伸行为。本次工作建立在那个微观结构基础之上，但探讨了一个独特且之前未研究过的问题：压缩断裂模式的转变及其背后的应力驱动裂纹萌生机制。具体来说，本研究整合了压缩力学测试、定量断口分析和热机械耦合的有限元模拟，建立了加工温度→应力重分布→断裂模式之间的预测框架。这种模拟-实验综合方法及其对压缩失效预测的关注代表了本次工作的创新之处，这在我们之前的以拉伸为主的研究中并未涉及。
章节片段
加工
Cu/Al复合材料是在500°C、530°C和560°C的温度下使用挤压剪切工艺制造的。这种创新工艺结合了传统挤压和剪切变形的原理，以增强铜和铝之间的界面结合。图2展示了挤压剪切装置的示意图，说明了加工过程中复合材料的流动情况。
挤压剪切工艺涉及同时
通过晶粒细化和界面损伤的相互作用实现压缩响应
系统研究了挤压剪切Cu/Al复合材料的压缩力学行为，以阐明强化机制和损伤萌生过程之间的温度依赖性竞争。图3a展示了在500°C、530°C和560°C下加工的试样的代表性压缩工程应力-应变曲线，图3b总结了相应的力学性能。
观察到压缩屈服具有非单调的温度依赖性
温度依赖性损伤演变的机制框架
在研究的温度范围内观察到的非单调力学性能演变可以通过具有相反损伤容忍度效应的热激活现象来解释。在500°C时，受限的原子扩散动力学将IMC的形成限制在延性的Al2Cu相中，保持了一个薄（大约2 μm）且机械上顺性的界面，能够适应铜和铝基底之间的应变失配。
结论
本研究特别关注了挤压剪切Cu/Al复合材料中的压缩断裂模式转变和应力驱动的裂纹萌生，补充了之前关于界面结合和拉伸行为的研究[9]。系统研究了挤压剪切Cu/Al复合材料的温度依赖性力学行为和失效机制。得出了五个主要发现。
(1)确定了加工温度与机械完整性之间的非单调关系。
CRediT作者贡献声明
Jingyi He：概念构思。Jiasen Liu：数据整理。Zhenpeng Guo：数据整理。Feixiang Xiong：形式分析。Zhenwei Sun：调查。Hongjun Hu：撰写——初稿。
资助
作者感谢重庆市自然科学基金会（CSTB2023NSCQ-MSX0079）和重庆市教委科技研究重大项目（KJZD-M202501105）的支持。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能会影响本文所述的工作。
Jingyi He|Jiasen Liu|Zhenpeng Guo|Feixiang Xiong|Zhenwei Sun|Hongjun Hu
