Raytron Technical Review RESEARCH ARTICLE

包覆结构的机械性能

Mechanical Properties of Clad Structures

RAYTRON技术团队¹ *

¹RAYTRON集团技术研究中心, 中国

^*通讯作者

收稿: 2025年12月接受: 2026年2月发布: 2026年3月

DOI: 10.1234/raytron.2026.WP-01-05

1. 引言

1.1 包覆结构的力学优势

包覆结构提供的力学性能可以超越均质材料：

包覆结构vs均质材料性能对比雷达图

MEDIA TODO

Figure Fig. 1 包覆结构vs均质材料性能对比雷达图

1.2 关键力学挑战

2. 基本原理

2.1 混合法则

对于平行加载的包覆结构（线材配置）：

Voigt模型（上限）：

P_parallel = Σ_i V_i P_i

(1)

其中：P = 目标性能，V_i = 组分i的体积分数，P_i = 组分i的性能

创建Voigt和Reuss模型动画对比

0:30

VIDEO TODO

Video 1 Voigt和Reuss模型动画对比

Reuss模型（下限，横向加载）：

1/P_series = Σ_i V_i/P_i

(2)

2.2 有效性能

2.3 约束效应

结合界面的存在产生约束：

约束效应示意图，展示变形协调

MEDIA TODO

Figure Fig. 2 约束效应示意图，展示变形协调

后果：

低延展性组分受高延展性组分约束
界面处应力三轴度
改性的屈服顺序

3. 拉伸行为

3.1 应力-应变响应

包覆材料表现出复杂的应力-应变行为：

包覆材料vs组分材料应力-应变曲线

MEDIA TODO

Figure Fig. 3 包覆材料vs组分材料应力-应变曲线

典型阶段：

阶段I：弹性 - 两组分均弹性
阶段II：弹塑性 - 较软组分屈服
阶段III：全塑性 - 两组分均塑性
阶段IV：颈缩 - 局部变形
阶段V：断裂 - 失效

3.2 屈服顺序

对于CCA（Cu包覆，Al芯）：

创建屈服顺序动画，展示铝先屈服

0:25

VIDEO TODO

Video 2 屈服顺序动画，展示铝先屈服

分析：

ε_yield,Al = σ_y,Al/E_Al

(3)

ε_yield,Cu = σ_y,Cu/E_Cu

(4)

3.3 极限抗拉强度

预测模型：

σ_UTS,clad = η · (V_c σ_UTS,c + V_m σ_UTS,m)

(5)

其中η是效率因子（通常0.85-1.0）。

4. 屈服与流动

4.1 包覆材料的屈服准则

修正的von Mises准则：

σ̄ = √[½((σ₁-σ₂)² + (σ₂-σ₃)² + (σ₃-σ₁)²)]

(6)

对于包覆材料，使用加权平均：

σ̄_clad = Σ_i V_i σ̄_i

(7)

4.2 流动行为

本构模型：

σ = K εⁿ

(8)

对于包覆材料：

σ_clad = Σ_i V_i K_i ε^n_i

(9)

流动应力曲线对比

MEDIA TODO

Figure Fig. 4 流动应力曲线对比

4.3 界面对流动的影响

应力传递：

界面必须在层间传递应力：

τ_interface = P/(πdL_t)

(10)

其中L_t是传递长度。

5. 加工硬化

5.1 包覆材料中的硬化机制

多种硬化机制同时作用：

多种硬化机制示意图

MEDIA TODO

Figure Fig. 5 多种硬化机制示意图

5.2 拉拔诱导硬化

拉拔过程中的硬化：

σ_y = σ_y0 + K · ε_drawⁿ

(11)

拉拔硬化曲线

MEDIA TODO

Figure Fig. 6 拉拔硬化曲线

5.3 退火响应

回复与再结晶：

退火温度对性能影响曲线

MEDIA TODO

Figure Fig. 7 退火温度对性能影响曲线

6. 残余应力

6.1 残余应力的来源

6.2 测量方法

残余应力分布曲线

MEDIA TODO

Figure Fig. 8 残余应力分布曲线

6.3 对性能的影响

6.4 控制策略

7. 疲劳行为

7.1 包覆材料中的疲劳机制

独特特征：

疲劳裂纹萌生和扩展路径

MEDIA TODO

Figure Fig. 9 疲劳裂纹萌生和扩展路径

7.2 S-N曲线

S-N曲线对比

MEDIA TODO

Figure Fig. 10 S-N曲线对比

7.3 疲劳设计考虑

影响疲劳寿命的因素：

表面光洁度：粗糙度加速萌生，Ra < 1.6 μm
界面质量：分层降低寿命，剥离 > 40 MPa
平均应力：拉伸平均应力降低寿命，R > 0需降额
环境：腐蚀加速，需保护涂层

7.4 疲劳寿命预测

Miner法则：

Σ_i (n_i/N_i) = 1

(12)

对于包覆材料，使用修正方法：

N_clad = η_f · N_{rule-of-mixtures}

(13)

其中η_f = 0.8-1.2，取决于界面质量。

8. 设计优化

8.1 性能权衡

8.2 优化示例

目标：导体具有60% IACS导电率，>300 MPa强度，最低成本

8.3 应用特定设计

9. 测试方法

9.1 拉伸测试

标准方法：

ASTM E8：全截面，σ_y, σ_UTS, %EL
ASTM E111：引伸计，E模量
ISO 6892：比例，全范围

9.2 界面强度测试

9.3 疲劳测试

参数：

应力比 (R): 0.1, -1 - 平均应力效应
频率: 10-50 Hz - 测试效率
环境: 空气、控制 - 服役模拟
试样: 每条件10-15件 - 统计有效性

10. 结论

10.1 关键发现

包覆结构通过组分组合提供独特的力学性能
混合法则提供性能预测的一阶近似
界面质量对实现预测性能至关重要
残余应力必须控制以确保尺寸稳定性
疲劳行为需要特别考虑界面效应

10.2 设计建议

高强度：CCS - 确保足够导电率
高导电率：CCA高Cu% - 验证强度要求
高温：NCC - 温度限制
疲劳关键：CCAA或NCC - 界面质量
成本敏感：CCS或CCA标准 - 全寿命成本

图表

包覆结构vs均质材料性能对比雷达图

Fig. 1 包覆结构vs均质材料性能对比雷达图

约束效应示意图，展示变形协调

Fig. 2 约束效应示意图，展示变形协调

包覆材料vs组分材料应力-应变曲线

Fig. 3 包覆材料vs组分材料应力-应变曲线

流动应力曲线对比

Fig. 4 流动应力曲线对比

多种硬化机制示意图

Fig. 5 多种硬化机制示意图

拉拔硬化曲线

Fig. 6 拉拔硬化曲线

退火温度对性能影响曲线

Fig. 7 退火温度对性能影响曲线

残余应力分布曲线

Fig. 8 残余应力分布曲线

疲劳裂纹萌生和扩展路径

Fig. 9 疲劳裂纹萌生和扩展路径

S-N曲线对比

Fig. 10 S-N曲线对比

表格

Table 1 力学性能定制

性能	均质材料	包覆（优化）	优势
强度	材料固定	可调	设计灵活性
延展性	与强度权衡	可同时优化	更优平衡
重量	密度固定	可调	减重
成本	材料限制	可优化	节省成本

Table 2 包覆结构的力学挑战

挑战	来源	影响
应力集中	界面几何	过早失效
差异屈服	不同屈服强度	复杂行为
残余应力	加工	尺寸稳定性
界面失效	结合弱	分层

Table 3 混合法则应用

性能	模型	公式	适用性
弹性模量	Voigt	E = V₁E₁ + V₂E₂	轴向加载
屈服强度	修正	σ_y = f(V, σ₁, σ₂)	复杂
UTS	Voigt类	σ_UTS ≈ V₁σ₁ + V₂σ₂	近似
密度	Voigt	ρ = V₁ρ₁ + V₂ρ₂	精确

Table 4 常见包覆材料的屈服顺序

材料	芯材σ_y (MPa)	包覆层σ_y (MPa)	先屈服
CCA	40 (Al)	70 (Cu)	芯材 (Al)
CCS	350 (钢)	70 (Cu)	包覆层 (Cu)
NCC	70 (Cu)	150 (Ni)	芯材 (Cu)

Table 5 UTS预测精度

材料	预测 (MPa)	实测 (MPa)	误差 (%)
CCA-15%	170	165	+3%
CCS-20%	420	435	-3%
NCC-10%	280	275	+2%

Table 6 加工硬化参数

材料	K (MPa)	n	K_clad (MPa)	n_clad
纯Al	150	0.25	-	-
纯Cu	320	0.30	-	-
CCA-15%	-	-	240	0.28

Table 7 界面剪应力要求

材料	施加应力 (MPa)	τ_required (MPa)	结合强度 (MPa)	安全系数
CCA	150	12	45	3.8
CCS	400	35	55	1.6
NCC	250	20	50	2.5

Table 8 拉拔硬化系数

材料	K_hard (MPa)	n_hard	最大减径 (%)
CCA	180	0.45	90
CCS	350	0.35	85
NCC	220	0.40	92

Table 9 退火参数

材料	回复温度	再结晶温度	晶粒尺寸 (μm)
CCA	150-250°C	250-350°C	20-50
CCS	300-400°C	500-600°C	10-30
NCC	200-300°C	400-500°C	15-40

Table 10 残余应力测量技术

方法	原理	分辨率	深度范围
X射线衍射	晶格应变	10 MPa	10-20 μm
中子衍射	晶格应变	20 MPa	mm范围
钻孔法	应力松弛	10 MPa	0.5-2 mm
曲率法	Stoney方程	表面	-

Table 11 残余应力影响

效应	正面	负面
屈服行为	预应力可提高表观σ_y	过早屈服
疲劳	表面压应力有益	加速裂纹萌生
尺寸稳定性	-	翘曲、变形
应力腐蚀	-	加速侵蚀

Table 12 疲劳性能

材料	疲劳极限 (MPa)	耐久比	10⁶循环寿命
纯Cu	70	0.35	100 MPa
CCA-15%	55	0.33	80 MPa
CCS-20%	150	0.35	200 MPa
NCC-10%	90	0.35	130 MPa

Table 13 设计权衡矩阵

高强度	高导电率	低重量	低成本
↑ 钢芯	↑ Cu包覆	↑ Al芯	↓ Cu含量
↑ 加工硬化	↓ IMC	↓ 密度	工艺效率
↑ Cu%	↓ 杂质	↓ Cu%	标准等级

Table 14 优化结果示例

选项	配置	σ_UTS (MPa)	导电率	成本指数
A	CCS-25% Cu	380	35% IACS	0.35
B	CCA-80% Cu	180	80% IACS	0.85
C	CCAA-6101, 20% Cu	280	62% IACS	0.50
最优	CCAA-6101, 18% Cu	310	60% IACS	0.48

Table 15 应用设计指南

应用	优先级	推荐
建筑导线	成本	CCA标准
汽车	重量+疲劳	CCAA优化
航空航天	温度+重量	NCC
接地	强度+防盗	CCS
射频电缆	表面导电率	CCA或SCC

参考文献

Courtney, T. H. Mechanical Behavior of Materials (2nd ed.) McGraw-Hill (2000)
Dieter, G. E. Mechanical Metallurgy (3rd ed.) McGraw-Hill (1986)
Ashby, M. F., & Jones, D. R. H. Engineering Materials 1 (3rd ed.) Butterworth-Heinemann (2005)
Courtney, T. H. Mechanical Behavior of Materials McGraw-Hill (1990)
Lemaitre, J., & Chaboche, J. L. Mechanics of Solid Materials Cambridge University Press (1990)
Dowling, N. E. Mechanical Behavior of Materials (4th ed.) Pearson (2012)
Suresh, S. Fatigue of Materials (2nd ed.) Cambridge University Press (1998)
Stephens, R. I., et al. Metal Fatigue in Engineering (2nd ed.) Wiley (2001)
ASTM International ASTM E8/E8M: Standard Test Methods for Tension Testing of Metallic Materials ASTM (2022)
Raytron Technical Report Mechanical Properties of Bimetallic Conductors Internal Report TR-2025-078 (2025)

权威参考链接

ASTM International IEC (International Electrotechnical Commission) ISO (International Organization for Standardization) SAE International IEEE

1. 引言

1.1 包覆结构的力学优势

1.2 关键力学挑战

2. 基本原理

2.1 混合法则

2.2 有效性能

2.3 约束效应

3. 拉伸行为

3.1 应力-应变响应

3.2 屈服顺序

3.3 极限抗拉强度

4. 屈服与流动

4.1 包覆材料的屈服准则

4.2 流动行为

4.3 界面对流动的影响

5. 加工硬化

5.1 包覆材料中的硬化机制

5.2 拉拔诱导硬化

5.3 退火响应

6. 残余应力

6.1 残余应力的来源

6.2 测量方法

6.3 对性能的影响

6.4 控制策略

7. 疲劳行为

7.1 包覆材料中的疲劳机制

7.2 S-N曲线

7.3 疲劳设计考虑

7.4 疲劳寿命预测

8. 设计优化

8.1 性能权衡

8.2 优化示例

8.3 应用特定设计

9. 测试方法

9.1 拉伸测试

9.2 界面强度测试

9.3 疲劳测试

10. 结论

10.1 关键发现

10.2 设计建议

图表

表格

参考文献

权威参考链接

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