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对金属结构材料而言，优异的力学性能是材料安全服役可靠性的关键保障。作为早期静强度设计与现代抗疲劳设计的重要参考，材料的拉伸性能与疲劳性能一直是该领域中备受关注的性能指标。与之相对应，拉伸同步强韧化问题与疲劳性能预测优化问题也是该学科的两大核心问题。近年来，研究者们从计算模拟、结构表征、制备技术、加工工艺等不同角度尝试给出新的思路，而这些进展所创造的学术价值与经济效益进一步证明了上述问题的重大意义。鉴于以上情况，本课题以金属材料拉伸性能与疲劳性能为主要研究对象，采用以模型材料铜铝合金为主探索基本机制，以钢、铝合金等工程材料为辅验证与发展理论的基本研究方式，针对金属材料强度与塑性的制约关系、低周疲劳性能评价与优化、高周疲劳性能预测与优化等问题，开展由微观行为到宏观规律的系统研究。本课题的开展旨在深入探讨拉伸与疲劳过程所涉及的各类现象背后的主导机制，归纳普适性规律后建立理论模型，并尝试应用于工程实践。主要研究内容如下: (1)拉伸性能同步强韧化问题:通过对各种不同成分与组织状态下纯铜及铜铝合金拉伸行为的系统研究，探讨了塑性变形机制转化对材料强度与塑性制约关系的影响，对同步强韧化趋势产生的内在原因形成了基本认知。以此为基础，从加工硬化能力与均匀变形能力两方面入手开展深入研究:一方面，以数学推算与实际数据相结合的研究方式，证明提高加工硬化能力并非实现同步强韧化的唯一条件;另一方面，从热力学角度建立模型获得了塑性变形独立结构单元尺寸随铜铝合金成分的变化趋势，指出材料因形变单元尺度减小而获得的持久均匀变形能力是确保同步强韧化趋势更为根本的因素，并通过表面粗糙度数据的重新处理对材料塑性变形均匀程度进行了衡量，对上述结论给予了实验数据支持。进而，通过建立形变单元唯象模型探讨了材料同步强韧化的普适机制，并应用该模型成功解释了纳米孪晶金属、纳米颗粒增强金属等强韧化案例。 (2)低周疲劳性能评价与优化:首先，针对传统应力标准与应变标准在材料低周疲劳性能评价中出现的差异，综合应力与应变对疲劳损伤的影响提出了低周疲劳损伤滞回能模型，给出了从能量角度评价低周疲劳性能的标准。然后，通过对纯铜及铜铝合金低周疲劳性能的研究，验证并发展了上述滞回能模型;进一步结合微观观察，提出了循环变形微观组织演化的判据，从微观角度诠释了低周疲劳损伤的能量机制，揭示了滞回能模型的物理意义。最后，依照模型基本形式，以滞回能为衡量标准，对多种工程材料的低周疲劳性能进行了分析与评价，提出了低周疲劳过程中损伤容量与累积速率间存在着普遍制约关系，并给出了打破制约关系的可能方法，进一步归纳出滞回能评价标准下材料低周疲劳性能优化的一般思路与具体方式。 (3)高周疲劳性能优化:以高强材料的疲劳强度不再随其拉伸强度线性增加的现象为研究切入点，系统研究了各种不同组织状态下纯铜及不同成分铜铝合金疲劳强度的变化规律。研究表明:随铜铝合金中铝含量提高，材料疲劳强度单调增加;对较为均匀的组织，疲劳强度随组织晶粒细化呈先升后降趋势，并在超细晶状态下达到峰值;对部分再结晶产生的不均匀组织，疲劳强度受再结晶区域晶粒尺寸的显著影响，随再结晶过程形成疲劳强度平台区。由此可知，不同强化或强韧化方式对材料疲劳强度的影响不尽相同。以上述现象为基础，通过从成分、组织、缺陷三方面对材料疲劳强度影响机制的分析，深入认识了高周疲劳损伤过程中强化水平与损伤集中倾向的普遍制约关系，并据此提出通过不同强韧化方式的有机结合平衡该制约关系的思路，为进一步拓展金属材料疲劳性能的提升空间提出了新的设想。 (4)高周疲劳性能预测:从高周疲劳强化与损伤局部化的普遍制约关系入手，提出了材料疲劳Y-T-F模型，以简单的数学形式阐述了屈服强度(Y)、抗拉强度(T)与疲劳强度(F)之间的本征关系，并赋予了模型各参数明确的物理意义。通过大量工程材料疲劳数据的验证，证实该模型兼具很好的普适性与较好的准确性，能在10％误差范围内描述大部分材料的疲劳强度变化规律。另外，通过经验关系的引入，该模型进一步衍生出了Y-F（屈服强度—疲劳强度）关系与Y-N（屈服强度—疲劳寿命）关系，实现了疲劳性能与拉伸性能的内禀关联。应用此模型，一方面初步实现了包括钢、铝合金、铜合金、镁合金等常用工程材料疲劳强度与寿命的高效预测，另一方面明确了疲劳强度随拉伸性能变化的整体趋势，为抗疲劳材料的设计与选择提供了重要参考。 材料力学性能相关研究立足于工程实际问题，在工业发展过程中逐渐奠定了深厚的理论基础，而今又随着产业的升级焕发出新的活力。本课题的各项研究从简单的模型材料或基本理论出发，经大量实验数据与案例验证并发展后，已初步具备了工程材料力学性能优化及预测的能力，显然这将为未来工程材料的研发提供有利帮助。