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原文传递轻合金超塑性变形机理与成形工艺研究

论文题名：	轻合金超塑性变形机理与成形工艺研究
关键词：	汽车材料;轻质合金;塑性成形;冲压工艺
摘要：	汽车产业在世界各地蓬勃发展的同时，也带来环境污染和能源短缺两大严重的社会问题。这促使汽车产业将持续发展的核心放在能源和环保上，而采用轻质合金材料以减轻汽车重量是实现这一目标的重要保证，因而，轻合金已成为当前汽车工业开发研究的热点。但轻合金材料一般难以加工成形，阻碍了其实用化，在超塑性状态下成形是目前解决轻合金成形最为有效的方法之一。为此，本文开展了轻合金的超塑性机理与成形工艺研究工作。首先，采用高温单拉以及胀形实验方法相结合的方法，对不同变形温度及应变率条件下的板料超塑性变形机理、成形失效模式与成形极限进行研究，发现轻合金材料在超塑性状态下的失效主要是空洞所引起的；然后深入、系统地研究了超塑性成形过程空洞演化行为的特性，提出了一种应变状态相关的空洞演化模型，与Gurson损伤模型相结合，应用于超塑性成形空洞行为预测；基于传统超塑性成形过程加工周期长与易产生空洞等缺点，将冲压预成形与传统超塑性成形相结合，提出并开发了一种新型成形工艺，通过成形过程数值模拟，建立混合超塑性成形方案；使用电子背散射衍射(EBSD)技术对超塑性成形微观结构与组织演化机理了研究。 ⑴采用高温单拉以及胀形实验相结合的方法，通过不同温度及应变率条件下的超塑性成形，对板料超塑性成形失效模式与成形极限进行研究。发现空洞损伤是评判材料的超塑性成形极限的一个主要因素，并且超塑性成形构件的机械性能在很大程度上取决于空洞的程度。因此，成形极限图对于超塑性成形不能作为评估成形性能的唯一指标。论文将空洞程度引入评判指标，与成形极限图相结合，建立了板料超塑性成形极限的实用评判标准。高温单拉试验可以提供超塑性成形有限元模拟中本构模型需要的数据及应变率敏感系数，胀形试验提供了接近于实际超塑性成形生产过程中板材双向拉伸状态下的试验数据，如成形极限图、胀形高度、厚度与空洞分布。单拉与胀形实验相结合的方法为材料的超塑性成形性能提供了一种较为全面的研究手段。 ⑵对轻合金在单拉实验、胀形实验情况下的空洞数目与体积分数进行了详细的测量，分析了超塑性成形过程空洞演化的特性。实验结果表明，轻合金超塑性成形过程空洞形核为应变控制形核，同时受到应力状态影响，空洞形核对于超塑性成形过程的空洞行为有决定性的影响。材料特性，尤其是材料基体所含第二相粒子与化学含量对形核模型参数有较大影响。提出了应力状态相关的空洞形核模型，引入Gurson损伤理论和有限元方法，对材料超塑成形过程中空洞的形成和演化进行了模拟，计算结果和实验测试吻合较好。 ⑶提出并开发了一种传统冲压与超塑性成形相结合的混合超塑性成形技术。基于显式有限元理论建立了应变率相关的本构方程，对轻合金混合超塑性加工过程材料减薄、材料填充量以及起皱进行仿真，仿真结果与实验结果具有良好的一致性。通过有限元方法对新工艺的可行性进行了评估，实现了典型方盒件与复杂实际产品中的混合超塑性成形工艺和模具的设计，比较了不同成形工艺参数下产品成形性能。试验结果表明，与传统超塑性成形相比，这种新的模具技术可以实现更加良好的厚度分布、降低成形时间并大幅降低成形件空洞程度。试验结果同时表明，该工艺使得普通商用轻合金材料在超塑性成形的应用成为可能，从而大大降低超塑性成形成本。 ⑷采用电子背散射衍射(EBSD)技术研究了较低温情况下的混合超塑性与传统超塑性成形过程中板材的微观结构演化。通过对初始板料与变形后板料(传统超塑性、混合超塑性预成形、混合超塑性)的极向图、晶粒结构、晶粒取向差图与空洞进行分析，发现晶粒尺寸在475oC、应变率为10×10-3s-1时，原始晶粒尺寸与稳定晶粒尺寸之间满足Do=2Ds关系式，变形后的晶粒尺寸基本保持不变。传统超塑性过程中，随着应变率下降，晶粒发生了粗化现象，并随着应变的增长而增加。混合超塑性与传统超塑性成形过程主要由晶界滑移与动态再结晶所控制。在所有试样中，大角度晶界与空洞位置重合，且所有空洞均延晶界扩展。大角晶界由于容易造成应力集中，一旦这些应力集中若不能及时通过扩散蠕变、位错运动等协调过程来释放，就会成为空洞扩展的有利位置，因此可以将大角晶界看作是空洞形成的主要原因。采用所提出的混合超塑性成形技术，通过降低材料变形量，有效地抑制了大角度晶界的形成，极大降低了成形件中空洞含量。
作者：	罗应兵
专业：	机械制造及自动化
导师：	彭颖红;韩维建
授予学位：	博士
授予学位单位：	上海交通大学
学位年度：	2007
正文语种：	中文