Raytron Technical Review RESEARCH ARTICLE

包覆结构的机械性能

Mechanical Properties of Clad Structures

Gao-Lei Xu¹ *

¹RAYTRON Group Technology Research Center, in National

^*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

摘要

包覆金属结构的力学行为与均质材料有根本区别。本Whitepapers研究双金属导体独特的力学性能，包括混合法则行为、约束效应、残余应力发展和失效机制。我们提出预测力学性能的分析模型，讨论加工-微观结构-性能关系，并为设计具有优化力学性能的包覆结构提供指南。

关键词

机械性能;包覆结构;混合法则;残余应力;加工硬化;疲劳;Tensile Strength;双金属力学

1. Introduction

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Compare Performance雷达图

MEDIA TODO

Figure Fig. 1 Cladding StructurevsAverageQuality MaterialCompare PerformanceRadar Diagram

1.2 关键力学挑战

2. Principles

2.1 混

对于平行的包覆结构（线材配置）：

Voigt模型（上限）：

P_parallel = Σ_i V_i P_i

(1)

：P = 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

Reuss模型（下限，横向加载）：

1/P_series = Σ_i V_i/P_i

(2)

2.2 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 Constraints Effect Schematic Diagram, Showing Deformation Coordination

后：

低延展组分受延展性组分约束
界面处应力三轴度
改性的屈服顺序

3.

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 Cladding Material vs Constituent Material Stress-Strain Curve

典型：

阶段I：弹 - 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

：

ε_yield,Al = σ_y,Al/E_Al

(3)

ε_yield,Cu = σ_y,Cu/E_Cu

(4)

3.3 极限Tensile Strength

预测模型：

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

(5)

η是效率因子（通常0.85-1.0）。

4.

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

MEDIA TODO

Figure Fig. 4 Flow Stress Curve Comparison

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)

L_t是传递长度。

5.

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 Multiple Hardening Mechanism Schematic Diagram

5.2 拉拔诱硬化

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 Drawing Hardening Curve

5.3 退火响应

回复与再结晶：

退火温度对能影响曲线

MEDIA TODO

Figure Fig. 7 Annealing Temperature Impact on Properties Curve

6. Stress

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 Residual Stress Distribution Curve

6.3 对能的影响

6.4 控制策略

7. Fatigue

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 Fatigue Crack Initiation and Propagation Path

7.2 S-N曲线

S-N曲线

MEDIA TODO

Figure Fig. 10 S-N Curve Comparison

7.3 疲劳设计考虑

影响疲劳寿命的因素：

Surface光洁度：粗糙度加速萌生，Ra < 1.6 μm
界面：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：

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)

η_f = 0.8-1.2，取决于界面质量。

8. DesignOptimization

8.1 能权衡

8.2 优化示例

：体具60% IACSConductivity，>300 MPa强度，最Low cost

8.3 Applications特定设计

9. Testing

9.1 拉伸测试

standards方法：

ASTM E8：全Cross-Section，σ_y, σ_UTS, %EL
ASTM E111：引伸计，E
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. Conclusion

10.1 关键现

包覆结构通过组分组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

High strength：CCS - 确保足够Conductivity
Conductivity：CCA高Cu% - 验证强度要求
高温：NCC - 温度限制
疲劳关键：CCAANCC - 界面质量
敏感：CCS或CCAstandards - 全寿命成本

图表

Cladding StructurevsAverageQuality MaterialCompare PerformanceRadar Diagram

Fig. 1 Cladding StructurevsAverageQuality MaterialCompare PerformanceRadar Diagram

Constraints Effect Schematic Diagram, Showing Deformation Coordination

Fig. 2 Constraints Effect Schematic Diagram, Showing Deformation Coordination

Cladding Material vs Constituent Material Stress-Strain Curve

Fig. 3 Cladding Material vs Constituent Material Stress-Strain Curve

Flow Stress Curve Comparison

Fig. 4 Flow Stress Curve Comparison

Multiple Hardening Mechanism Schematic Diagram

Fig. 5 Multiple Hardening Mechanism Schematic Diagram

Drawing Hardening Curve

Fig. 6 Drawing Hardening Curve

Annealing Temperature Impact on Properties Curve

Fig. 7 Annealing Temperature Impact on Properties Curve

Residual Stress Distribution Curve

Fig. 8 Residual Stress Distribution Curve

Fatigue Crack Initiation and Propagation Path

Fig. 9 Fatigue Crack Initiation and Propagation Path

S-N Curve Comparison

Fig. 10 S-N Curve Comparison

表格

Table 1 Mechanical Property Tailoring

Property	Homogeneous Material	Clad (Optimized)	Advantage
Strength	Material Fixed	Adjustable	Design Flexibility
Ductility	Trade-off with Strength	Simultaneously Optimizable	Better Balance
Weight	Density Fixed	Adjustable	Weight Reduction
Cost	Material Limited	Optimizable	Cost Saving

Table 2 Mechanical Challenges of Clad Structures

Challenge	Source	Impact
Stress Concentration	Interface	Premature Failure
PoorDifferenceYield	DifferentYield Strength	Complex Behavior
Residual Stress	Processing	DimensionStability
Interface Failure	BondingWeak	Delamination

Table 3 Mixed法则Applications

Property	Model	Formula	Applicability
Elasticity	Voigt	E = V₁E₁ + V₂E₂	Axial
Yield Strength	修正	σ_y = f(V, σ₁, σ₂)	Complex
UTS	Voigt类	σ_UTS ≈ V₁σ₁ + V₂σ₂	Approximate
Density	Voigt	ρ = V₁ρ₁ + V₂ρ₂	Precise

Table 4 Common CladdingMaterial YieldOrder

Material	Core Materialσ_y (MPa)	Cladding Layerσ_y (MPa)	PreYield
CCA	40 (Al)	70 (Cu)	Core Material (Al)
CCS	350 (Steel)	70 (Cu)	Cladding Layer (Cu)
NCC	70 (Cu)	150 (Ni)	Core Material (Cu)

Table 5 UTSPrediction Accuracy

Material	Prediction (MPa)	实测 (MPa)	Error (%)
CCA-15%	170	165	+3%
CCS-20%	420	435	-3%
NCC-10%	280	275	+2%

Table 6 Processing HardeningParameter

Material	K (MPa)	n	K_clad (MPa)	n_clad
PureAl	150	0.25	-	-
PureCu	320	0.30	-	-
CCA-15%	-	-	240	0.28

Table 7 InterfaceShear Stress Requirements

Material	施加 Stress (MPa)	τ_required (MPa)	Bonding Strength (MPa)	SafetyCoefficient
CCA	150	12	45	3.8
CCS	400	35	55	1.6
NCC	250	20	50	2.5

Table 8 Drawing HardeningCoefficient

Material	K_hard (MPa)	n_hard	MaximumReducedDiameter (%)
CCA	180	0.45	90
CCS	350	0.35	85
NCC	220	0.40	92

Table 9 AnnealingParameter

Material	回复 Temperature	Re-Crystallization Temperature	Grain Dimension (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 Residual StressMeasuredTechnology

Method	Principle	Resolution	DeepDegreeScope
X-RayDiffraction	Lattice Strain	10 MPa	10-20 μm
NeutronDiffraction	Lattice Strain	20 MPa	mmScope
钻孔法	StressRelaxation	10 MPa	0.5-2 mm
Curvature法	Stoney方程	Surface	-

Table 11 Residual StressImpact

Effect	正面	面
Yield Behavior	预 Stress可提High表观σ_y	PrematureYield
Fatigue	SurfaceCompressive Stress益	Accelerated Crack萌Generation
DimensionStability	-	翘曲、变形
Stress Corrosion	-	AcceleratedErosion

Table 12 FatigueProperty

Material	FatigueLimit (MPa)	DurabilityRatio	10⁶Cycle Service Life
PureCu	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 DesignTrade-offMatrix

High strength	HighConductivity	LowWeight	Low cost
↑ Steel Core	↑ Cu Cladding	↑ AlCore	↓ CuContent
↑ Processing Hardening	↓ IMC	↓ Density	Process Efficiency
↑ Cu%	↓ Impurity	↓ Cu%	standardsetc. Grade

Table 14 Optimization ResultsExample

选项	Configuration	σ_UTS (MPa)	Conductivity	Cost Index
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
MostExcellent	CCAA-6101, 18% Cu	310	60% IACS	0.48

Table 15 ApplicationsDesign Guide

Applications	ExcellentPre Grade	Recommended
Building WiringWire	Cost	CCAstandards
Automotive	Weight+ Fatigue	CCAA Optimization
Aerospace	Temperature+Weight	NCC
Grounding	Strength+Anti-theft	CCS
RF Cable	SurfaceConductivity	CCA or 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

徐

徐高磊

(Gaolei Xu)

资深材料科学家

资质荣誉

• 锐创集团 CTO
• 浙江省高层次人才特殊支持计划青年人才
• 绍兴市"科技副总"
• 绍兴市科技特派员
• 全国有色金属standards化技术委员会重金属分技术委员会(TC243/SC2)委员

国家standards（主要起草人）查看官方

GB/T 27671-2011 - 导电用铜型材
YS/T 1043-2015 - 电机整流子用银无氧铜带材
YS/T 974-2014 - 复合触点材料用铜及铜合金带材
YS/T 1082-2015 - 灯引线支架用铜带

发明专利检索专利

CN104959396A - 一种复合触点材料用铜带的生产工艺
CN106077125A - 一种磁极线圈用铜型材的生产工艺
CN201410710206 - 一种高铁牵引电机用导电材料及其生产方法
CN201310719717 - 一种连续挤压法铜带坯板形控制方法
CN201310720126 - 一种连续挤压法铜带坯板形控制装置
CN201310376884 - 一种五位一体变压器用铜带边部处理设备
CN201420184755 - 一种连续挤压模具促流装置
CN201320761640 - 一种连续挤压废料清理装置

专业Section

CCA(CCA)技术铜包钢(CCS)制造工艺双金属复合材料光伏焊带技术电动汽车电池极耳材料连续挤压技术

代表性论文

• 轧制法制造金属层状复合材料的研究与Applications，《铝加工》2008年第3期
• 铜铝复合带退火工艺的研究
• 电缆用铜铝复合带制备工艺研究
• 轧制铜/铝复合带材在退火过程中的界面组织演变

徐高磊先生是有色金属加工Section的知名专家，拥有超过15年的丰富经验。他入选浙江省高层次人才特殊支持计划青年人才。他在双金属复合材料技术开发方面做出了重要贡献，并为中国铜及双金属材料的standards化工作做出了重要贡献。

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1. Introduction

1.1 包覆结构的力学优势

1.2 关键力学挑战

2. Principles

2.1 混

2.2 效性能

2.3 约束效应

3.

3.1 应力-应变响应

3.2 屈服顺序

3.3 极限Tensile Strength

4.

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.

5.1 包覆材料中的硬化机制

5.2 拉拔诱硬化

5.3 退火响应

6. Stress

6.1 残余应力的来源

6.2 测量方法

6.3 对能的影响

6.4 控制策略

7. Fatigue

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. DesignOptimization

8.1 能权衡

8.2 优化示例

8.3 Applications特定设计

9. Testing

9.1 拉伸测试

9.2 界面强度测试

9.3 疲劳测试

10. Conclusion

10.1 关键现

10.2 设计建议

图表

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参考文献

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