（材料加工工程专业论文）5ao2铝合金内高压成形表面质量问题的研究.pdf

堕鳘鎏三些查兰：兰璺土耋堡建兰 摘要 铝合金内高压成形是实现零件轻量化的重要手段，有着广阔的应用前 景。5 a 0 2 铝合金在航空工业中有重要应用，其管材内高压成形过程中变形 量稍大时容易出现表面质量问题，不仅严重影响零件的外观，还对使用性能 产生很大的影响。为了改善零件的外观质量与使用性能就需要对影响材料表 面质量的因素进行分析，为最终改善材料的表面质量提供理论依据。 本文通过对5 a 0 2 铝合金管材在内高压成形条件下的应力应变以及材料 表面质量演化过程进行分析，提出了5 a 0 2 铝合金在内高压成形过程中出现 表面质量问题的条件和特点。通过与单向拉伸条件下材料表面质量的对比， 分析了轴向应力应变对5 a 0 2 铝合金在内高压成形条件下表面质量的影响。 本文针对5 a 0 2 铝合金管材变形中出现的表面质量问题，结合以往的相 关研究结果，从微观角度分析了5 a 0 2 铝合金表面产生质量问题的原因并分 析了影响规律。 本文通过对不同热处理条件下的5 a 0 2 铝合金以及不同工艺参数下材料 的表面质量进行定量分析，比较不同因素对材料表面质量的影响程度并提出 可行的改善方案。 关键词：铝合金；表面质量；管材成形 a b s t r a c t h y d r o f o r m i n go f a l u m i n u m a l l o yi sak i n do fv e r yi m p o r t a n tw a y t ol i g h t e n p a r ta n dh a v eag o o df o r e g r o u n di nr e a l i t y 5 a 0 2a l u m i n u ma l l o yi n c l i n e st o a p p e a rs u r f a c eq u a l i t yp r o b l e m ，i tn o to n l ya f f e c t st h ea p p e a r a n c eb u ta l s ot h e q u a l i t yo ft h ep a r t i ti sn e c e s s a r yt or e s e a r c ht h ef a c t o r sw h i c hc a na f f e c tt h e s u r f a c eq u a l i t yi no r d e rt oi m p r o v et h es u r f a c e q u a l i t ya n du s a g eo f t h ef i n a lp a r t t h e p a p e ra n a l y s e s t h es u r f a c e q u a i i t y e v o l v e m e n ti nt h ec o u r s eo f h y d o r f o r m i n ga n d t h es t r a i n s t r e s ss t a t e ，t h et r a i to f5 a 0 2a l u m i n u ms u r f a c ea f t e r f o r m i n ga n dt h ec o n d i t i o ni nw h i c ht h es u r f a c er o u g h n e s so c c u r sa r ep r o p o s e d c o m p a r e dw i t hu n i l a t e r a ls t r e t c hs t a t e ，t h ee f f e c to fa x i a ls t r e s st ot h es u r f a c e q u a l i t yi sa l s oa n a l y z e d i nt h i sp a p e r , t h ea u t h o rc o m p a r e st h es u r f a c e q u a l i t yp r o b l e mo f5 a 0 2 a l u m i n u mw i t ht r a d i t i o n a lp h e n o m e n a ，t h ed i f f e r e n c e sa n dl i n k sb e t w e e nt h e m a r ep r o p o s e d i no r d e rt ok n o wt h ec o r eo ft h ei s s u e ，t h e p a p e ra n a l y z e dt h e m i c r o c o s m i cf a c t o r sw h i c hc a na f f e c tt h es u r f a c e q u a l i t y a n dt h ec o u r s eo f i n f l u e n c e t h e p a p e rc o m p a r e sd i f f e r e n tr e s u l t so fs u r f a c e q u a l i t y w i t hd i f f e r e n t t r e a t m e n t sa n d f o r m i , n gc o n d i t i o n sb yr a t i o n a ld a t ai no r d e rt ok n o w t h e d e g r e eo f i n f l u e n c eo fe a c hc a s e a t l a s t ，s o m em e t h o d sa r ep r o p o s e dt o i m p r o v et h e s u r f a c eq u a l i t yo f5 a 0 2a l u m i n u m k e yw o r d s ：a l u m i n u ma l l o y ；s u r f a c eq u a l i t y ；t u b ef o r m i n g 哈尔滨- t 业大学工学硕士学位论文 1 1 弓l 言 第一章绪论 铝合金的比强度高，耐腐蚀并且有着良好的成形工艺性和焊接性能，在现 代制造业中有着广泛的应用，但铝合金在加工过程中存在的一些问题引起了学 术界的广泛关注。本章综述了铝合金在加工过程中的动态应变时效强化效应以 及材料结构对材料变形和表面不平现象的影响。 1 2 铝合金内高压成形的应用及其研究现状 铝含金构件轻量化的一个重要途径是采用内高压成形。尽管内高压成形在 工业中的广泛应用只有二十几年的时间，但管材液压成形最早以追溯n - - 十世 纪四十年代的t 形管成形。在1 9 5 0 1 9 7 0 年间，美国、英国以及日本都开始有 相关的专利和产品的应用”。 1 2 1 内高压成形简介 内高压成形按其有无轴向进给主要分为两种形式：一类为有轴向进给，主 要用来成形壁厚均匀或较大成形量的零件；另一类为无轴向进给，主要用于零件 的整形和多个零件的胀接( 如中空凸轮轴的生产) 。 有轴向进给内高压成形原理：通过内部加压和轴向加力补料把管坯压入到 模具型腔使其成形。其基本工艺过程如下：首先将管坯放在下模内，模具闭合 后，将管的两端用水平冲头密封，并使管坯内充满液体，在加压胀形的过程中， 两端的冲头同时向内推进补料，这样在内压和轴向力的联合作用下使管坯贴靠 模具而成形为所需形状的工件1 2 】，如图1 1 所示。 哈尔滨t 业大学工学硕士学位论文 图1 - 1 有轴向进给内高压成形原理闰? - 1 无轴向进给的内高压成形原理与有轴向进给内高压成形原理相比唯一的区 别就是在加压过程中坯料没有轴向进给。在加工过程中，坯料通过胀形来成形 所需的零件。 与传统的冲压焊接工艺相比。内高压成形优点主要包括1 3 】： l 减轻重量节约材料。与冲压焊接的组合件相比，内高压成形的空心结构 件可减重2 0 3 0 。 2 减少零件和模具数量，降低模具费用。液力成形件通常仅需要一套模 具，而冲压件大多需要多套模具。 3 可减少后续机械加工和组装焊接量。 4 提高强度与刚度，尤其是疲劳强度，同时也可降低生产成本。内高压件 比冲压件平均降低成本1 5 2 0 ，模具费用降低2 0 3 0 。 近年来内高压成形技术的成形压力不断提高，已达5 0 0m p a ，有报道称最 高达1 5 0 0 m p a ，这使得此项技术的应用领域不断拓宽。德国、美国及日本已将 该技术应用于零件的实际制造中，并呈现应用范围不断拓宽的趋势。 1 2 2 铝台金轻量化构件的研究与应用现状 在满足使用要求的条件下，与传统的钢结构相比使用铝合金有着明显的减 重优势，因此研究铝合金的内高压成形有很大的实际意义。铝合金具有良好机 械性能以及回收性使其成为轻量化结构的良好选择，但由予成形极限与钢材相 比却相对较低，从而影响了在实际中的应用。为了能够更好的用内高压技术成 形铝合金零件s n o v o t n y 等人对影响液压成形的材料参数作了专i q 的研究【4 1 。 e c h u 也针对铝合金管村在内高压工艺条件下的成形作了相关的工作，并提 出了相应的成形理论1 5 l 。 堕尘鎏三些叁兰三耋堡! ：兰竺兰兰 在实际应用方面，随着人们对环保到要求越来越高使得减低汽车重量成为 一种必然的趋势。随着铝在交通工具中用量的增加，内高压成形铝合金零件很 好的适应了汽车行业的要求【6 l 。在实际生产方中，国外已经有妇汽车侧梁这样 的大型零件的生产报道1 7 l 。 减轻结构重量在航空航天领的重要性是不言而喻的，内高压成形铝合金零 件良好的减熏效果能很好的适应这一要求。目前已经有锈铝变径管接头这样航 空领域常用关键零件的相关研究报道 8 i 。 铝合金轻量化构件适应现代工业发展的要求，相信在不久的将来会有着广 泛的应用。 1 3 铝合金加工过程中的动态应变时效现象 1 3 1 动态应变时效现象 铝合金与传统的材料相比具有高的比强度、断裂韧度、疲劳强度和耐腐蚀 性，同时还具有良好的成形工艺性和焊接性，这使得铝合金在很多领域得到广 泛的应用。 尽管铝合金的应用很广泛，但在加工过程中存在一些难以忽略的问题。其 中引起研究人员广泛关注的是铝台金在变形过程中的动态应变时效现象，简称 p l c ( p o f t e f i n l e c h a t e l i ee f f e c t ) 效应。这种效应使材料在应力一应变曲线上 出现锯齿状波形，如图1 2 所示。如果从1 9 2 3 年a p r o t e v i n 和f l e c h a t e l i e r 首次明确提出“锯齿屈服”的概念算起，人们对这种效应的认识已有八十年多 年的历史了。 n2 48l o ( ， 鼬卜2a 1 m g 合金中的p l e 效应【1 0 l 誉 6 委vb 哈尔滨t 业大学工学砚士学位论文 p l c 效应使不同材料在拉伸曲线以及外观上有着不同的表现，研究人员通 过长期的研究逐渐发现其中的规律并对其进行了分类。 现在一种认同度较高的分法是将p l c 效应分为三种不同的类型【，a 型： 连续的变形增殖；b 型：塑性变形时间歇的变形带；c 型：重新加载时的应力 下降，它的实际形态介于前面两者之间。文献 1 0 中将这种分类下每种类型的 具体变形过程作了详细的介绍，如图卜3 所示。现在的研究表明在a 型条纹 中，空间交互作用明显，在c 型条纹中，材料在宏观表现上的空间交互作用不 是很明显，b 型条纹介于上述二者之间。每种类型中临界变形随加载速率的 变化有着不同的改变i l “。 蘑驴万畚舻万 a )b )c ) 图卜3p l c 效应中不同类型的变形过程【9 1 除了从宏观现象对p l c 效应进行分类外，有的文献中还从变形机制角度 将其进行不同种类的划分。 h n e u h a u s e r 等人从变形机制进行了研究并将材料变形的局部化机制归纳 成四种： 1 三向应力的影响( b r i d g m a nf a c t o r ) 。 2 晶界处的应力不均匀。 3 变形带处的应力局部化。 4 螺形位错的跳跃。 j o h nd o r a 则将p l c 效应的变形机制分为三种类型【1 3 ： 1 由扩散控制的位错蠕变。 2 晶界滑移机制。 3 扩散蠕变。 虽然目前对p l c 效应的分类以及变形机制有着不同的观点，但大体上都不 超出以上范围。 p l c 效应是一种比较普遍的现象，即使在纳米级别晶粒的材料中也会出现 锯齿状屈服【l 4 1 。这种效应将直接导致表面出现变形不均匀，薄弱韶分会导致局 哈尔滨t 业人学t 学硕上学位论文 部的颈缩，从而会影响到材料的成形极限【l ”，并且会在材料的外观上留下变形 痕迹1 10 1 ，这在一些产品中是不允许存在的。由于人们对产品的性能要求越来越 高，而产生p l c 效应的合金中又有许多被广泛应用。因此，对此效应进行研 究有着非常实际的意义。 综合起来，p l c 效应得到重视的原因主要有以下几个方面l l 2 1 ： l 从基础科学的角度来讲，需要对这种效应从基础理论进行解释。 2 在实际应用方面，通过对这种效应进行深入的研究来消除产品表面的缺 陷( 主要是表面不平) 。 3 从模拟角度出发，计算机模拟过程中要用到精确的材料本构模型，从而 要对这种现象进行深入的研究。 1 3 2 动态应变时效现象的基本模型 为了从本质上认识p l c 效应，各国学者从开始就试图对这种现象建立 物理模型，并期望揭开p l c 效应的本质。其中认同度较高的是溶质原予与位错 的交互作用模型【1 o l 。 c o t t r e l 认为p l c 效应的微观过程是：溶质原子具有向位错偏聚的倾向，从 而形成溶质原子气团，若溶质原子的扩散速度可以达到运动位错的速度，气团 对位错就不产生拖曳力：若溶质原子不能跟上运动位错，则对位错也不产生拖 曳力；只有当溶质原子运动速度稍慢于运动位错，这时气团才对位错施加了拖 曳力。阻碍位错的运动；当应力增加到可以克服这种拖曳力时，运动位错将突 然挣脱溶质原子气团，直到运动位错再次被扩散的溶质原子重新钉扎，这一过 程反复进行，就在拉伸曲线上出现锯齿波。 尽管c o t t r e l 的理论被人们广泛引用，但却存在一个不足，在他的模型中 认为位错是连续运动的，这与实际观察的结果不符。为此出现了一些新的模 型。 m o c o r m i c 提出在位错是不连续的条件下溶质原子与位错的交互作用理 论。他认为位错运是不连续的，它们在运动时将暂时受阻于障碍物之前，等待 热激活以克服障碍物，再前进到下一个障碍物。在位错等待热激活的时间k 内 溶质原子将向其偏聚，设t 。是钉扎位错所需的时效时间，那么出现p l c 效应的 判据是t 。 h ，此时大部分等待热激活的位错将被钉扎，而少数未被钉扎的位错 将迅速增殖，引起l u d e r s 带的形成，并开始了锯齿屈服。 a v a n d e n b e u k e 从位错的热激运动的角度，导出了应力对应变速率和对温 哈尔渍丁业大学工学硕上学位论文 度的依赖关系。他提出的一个主要的新概念是：在热激活应变速率公式中的热 激活焓，不仅是有效应力的函数，而且也是与位错接触的溶质原子浓度的函 数。因此，当一个位错等待在障碍物前、并在其周围形成一个溶质原子气团， 靠近位错处溶质浓度的增加将导致激活焓的改变。 材料在变形过程中将产生大量的位错，他们之间也可能会对将来的变形过 程产生影响，为此s e h o e c k 不仅考虑了溶质原子的扩散，还考虑了位错的集体 行为。他认为运动位错在障碍物前等待热激活的时间内所发生的时效将确定位 错的运动行为。由于时效增加了障碍的强度，要使位错继续运动，必须增大应 力，并且由于时效使运动位错部分被钉扎，可动位错密度减小。以上两种过程 多会增加有效应力，引起不均匀塑性变形。 k o r b e l 也考虑了位错的集体行为，但他提出了非热激活的解释，认为位错 的集体效应才是锯齿屈服的根本原因。当可动位错密度较低时，运动位错之间 的相互影响很小，位错运动的速度很高：只有当可动位错密度足够大时，运动 位错之间的相互影响才显著增大，这样一来，位错的运动速度将急剧下降，塑 性变形将明显地集中在试样的某一局部，即产生了塑性变形的不均匀性，从而 导致p l c 效应的出现。 除了以上比较经典的模型之外【l6 1 ，在近期的研究中很多学者从不同的角度 对p l c 效应的产生提出了一些新的模型。 o l e gd s h e r b y 等人认为既然位错的攀移以及位错与溶质原子的交互作用 对锯齿状屈服都有影响，那么应变的临界值受位错的密度，位错速度以及溶质 原子的聚集影响。在细晶粒合金中，晶界的滑移是最主要的运动方式，并且认 为粗晶粒的变形机制主要受扩散控制并遵循能量关系： 占= o c 盯” ( 1 ) 在这种关系中，当n 值等于l 时，这种模型对应h a r p e r - d o m ( h _ d ) 滑 动，在这种模型中，位错在饱和的位错群中运动，位错群的密度不随应力而产 生改变。尽管这种机制还没有得到证实，但它的存在还不能被否定。当应力因 子等于3 时，认为位错的滑移受溶质原子气氛所控制，这种理论已经被很好的 发展。当应力因子为5 时，被认为是位错攀移控制类型，这个结论被w e e r t m a n 的位错攀移理论以及大量的实验所证实。当应力因子为8 时，也被认为是位错 攀移屈服，但这时的材料结构是不变的，这主要出现在析出强化材料中。作者 同时指出，并不是所有的材料都遵循能量准则【l 3 1 。 r o n o d e r a 提出了一种新的对p l c 效应的解释：引进一个未知内应力，这 堕堑鋈三些查兰王兰堡圭耋竺鎏兰 个应力包括了软化以及硬化两个方面的过程，可以定量的分析实验结果。例 如，在何种应变下出现这种效应以及应变的突变等现象。但作者没有对更加细 微的应力以及位错的移动和气团的形成进行深入的分析j 。 针对p l c 效应，j a k o b 提出了蠕变的连续方程i l 。m a r l i n 与j a r o s a vb a l i k 等人分别将这种现象与应变速率联系起来，并提出相应的数学模型”j l ”l 。此 外d h b a c 也对这种效应作了深入的理论分析【2 l 】。 由于对p l c 现象的机理还没有一个公认的结论，现在提出的模型在以后 的研究中将可能被不断更新弘”。 1 4 影响动态应变时效现象的因素 针对不同的模型，各国的学者分别从不同的角度对影响p l c 效应的因素 进行了详细的研究。 1 4 1 第二相质点与位错的交互作用 到目前为止，很多研究都表明第二相原子与位错的交互作用是影响p l c 效应的重要原因。在铝合金中位错的密度以及镁原予在溶质原予中的聚集都会 影响屈服的状态，二者的减小都会使最终的锯齿状现象减轻。w e iw e n 等人选 取动态应变时效模型以位错密度及其分布情况、镁含量作为研究对象，研究指 出镁原子在4 2 0 4 8 0 k 时最容易析出，并在晶界聚集。再结晶退火后经低温热 处理的材料将在晶界处析出大量第二相，它的锯齿状屈服却不如只进行再结晶 退火处理的材料显著。这充分证明第二相原子对p l c 效应有直接影响【2 2 】。 相关的研究结果显示在a i m g 合金中，不同的应变速率会对应变曲线产生 影响【2 3 1 。因为在成形过程中位错与镁原子的相互作用对材料的强度以及微观组 织有着强烈的影响。在变形的初期，溶质原子与位错的交互作用是主要的强化 过程，镁原子对铝的回复有着强烈的作用，由于回复性低的原因使得位错密度 大大增加，导致应力的上升。最终，位错在大的变形下趋于饱和【2 引。 在a 1 一m g 合金中m g 的含量对不均匀塑性应变的影响由临界应变以及应力 的跳动来表征。当镁含量超过4 时，合金多会表现出逆向行为，即随着应变速 率的增加，临界应变减小。镁含量的降低会使出现塑性不均匀性的程度降低， 并且临界应变也会相应增高团】。这是由于溶质原子的偏聚状态不同所决定的 吲。 溶质原子对于位错一溶质原子之间的反应所需的扩散时问越长，对位错运 动的影响越显著。m o n t ec a r l o 模型考虑了溶质原子的随机扩散，指出在位错 中心形成压缩溶质原子气团，并且位错周围存在溶质原子氛围。溶质原子与位 错的不同步运动导致位错开动需要有大的应力，当位错开动时又会反过来影响 溶质原子的分布【2 “。并且现在的研究表明位错的初始形态将影响到以后它的回 复行为以及与第二相质点的交互作用，这一点也将会对临界应变产生影响 1 2 7 1 ，如图卜4 所示。 受 至 = 赢 圈卜4 初始状态对应力一应变曲线的影响i 2 2 1 1 4 。2 应变以及胜变速率对动态应变时效强化的影晌 对存在p l c 效应的材料来说出现锯齿现象的应变都有一个极限值，这个数 值随条件的不同而变化【2 8 1 ，如图卜5 所示。现在的研究表明不同的应变速率会 对应变曲线产生影响。一般来讲，极限应变会随着应变速率的增加而增加，但 与此相反的现象也会在一些合金中出现，通常在这些合金中有析出现象吲。 2 兰鎏三些尘耋! ：耋j ! ：喾：兰奎吝 。：。 图卜5 应变速率对应力一应变曲线的影响【2 8 i 应变的变动幅值随着应变速率的降低丽降低【25 1 。应变速率除了对临界应变 有显著的影响外，对材料变形后的形态也有影响，不同的应变速率会使材料产 生不同的条纹类型【2 9 1 。 1 4 3 其他因素对动态应变时效强化的影响 除了上述因素外，还有一些因素会对p l c 效应产生影响。 现在一些研究表明一些诸如铁等溶质原子对铝合金的组织与性能有着显著 的影响【3 0 1 。铝合金中第二相质点a i ：0 3 的数量以及空间分布会对材料的临界应 变产生影响【3 i l 。出于一些元素在铝合金变形过程中起到的特殊作用，从而会影 响到p l c 效应，使得我们可以通过向合金中加入其他元素来影响材料的变形过 程，并改善最终的表面状态”“。 退火工艺可以用于改变金属的组织结构。由于退火过程将会影响材料中位 错，溶质元素以及晶粒大小等对p l c 效应产生显著影响的因素，因此对材料 的退火处理也会对材料的变形过程产生影响，如图卜6 所示。在铝合金的热处 理过程中，晶粒的细化与长大是同时发生的口”，在这个过程中还会有镁原子析 出【3 4 l 。研究证明含有第二相质点的单相铝合金在经过冷轧后再进行退火是将会 发生连续或者是不连续的重结晶口”，因此，通过制定合理的热处理方案可以控 制p l c 效应对材料的影响，但具体的有效程度还有待研究。 哈尔滨f t 业大学t 学硕j ：学位论文 譬j 6 l z 】2 一 a 三摹 墨 4 兰 c ，：0 0 1 0 15：稚 p h s l i c 姐i 蛔f 1 图卜6 热处理对a a 5 1 8 2 中p l c 效应的影响p q 在变形过程中位错的长程应力场会对合金的p l c 效应有影响，在对位错的 钉扎作用中将消耗一些位错 3 7 1 。最终也将影响到整个变形过程。 除了上述因素外变形温度也是影响p l c 效应个重要的因素，m a t t h e w w a g e n h o f e r 等人的研究认为在高温下临界应变增加是因为位错的移动速度增 加，使得要有大的第二相移动速度才能跟得上1 2 钔。随着变形温度的降低，材料 表面的条纹聚集变得显著，但应力的锯齿状屈服却呈现相反的趋势【i “。 1 5 对动态应变时效现象的数值模拟 虽然数值模拟已经在材料加工领域成为一种重要的研究手段，对材料变形 过程中的p l c 效应的研究也有很长时间，但由于变形机制复杂，涉及的因素 众多以及实验手段等条件的限制使得到目前为止对p l c 效应建立精确的数学 模型还不是一件容易的事。尽管如此还是有很多学者在该领域进行了大量的研 究。文献 3 8 对溶质原子与位错的交互作用进行了模拟，并根据m o n t ec a r l o 模型建立了相应的计算模型，认为这样有可能对p l c 效应进行建模。p e t e r h a h n e r 等人也提出p l c 效应的数学模型并进行了数值模拟，最终得到的结果 与实验能较好的吻合，如图卜7 所示，但作者同时指出这个模型并没有考虑到 所有的因素 3 9 1 。在文献 4 0 3 中提出p l c 效应的时空动力学，该模型完全根据 材料的物理机制建立在这个模型中不需要任何自由参数的输入就可以重现 p l c 效应，研究中应用新的模型对一维的情况进行了模拟，得到了良好的结 果，并且现在正致力于将这个模型向三维模型发展。 喻尔滨工业大学工学硕士学位论文 气 蚺 一 甓 曼 4 掌灯；0 棚i t 】 l 图1 - 7 对p l c 效应的数值模拟结果3 9 l 现在对于p l c 效应的模拟现在已经取得了一定的进展，但总体上这项技 术还在发展中，并没有达到实际应用的水平。 1 6 材料本身结构对材料表面质量的影响 各国学者对于材料在变形过程中出现的表面不平现象从材料本身的结构出 发进行了大量的研究。 文献 4 1 3 中提出了各种表面缺陷模型并进行分类，并且认为桔皮现象可以 归类于晶粒尺度的表面不平如盈1 - 8 所示。作者将研究的焦点集中在晶粒大 小，总应变以及晶体组织上。在研究中认为材料在加工过程中出现的桔皮现象 恰好反映了晶粒的分布情况，因此作者认为晶粒结构以及不均匀性是表面粗糙 的主要原因，表面不平度主要归因于应变在某些部位的聚集。 图卜8 桔皮现象的晶粒模型“ 一i-oi竹一_$一o#中n6 aotm砧-o 喻尔滨工业大学工学硕：l 学位论文 m j a i n 等人提出了表面不平度的演化公式： r = r o + k d ，石( 2 ) 其中，其中，忍，兄以及手分别代表初始表面不平度、材料常数、平 均晶粒直径以及有效应变。在作者的研究中认为当材料的表面按照上述公式发 展时初始沟槽扩展会成为s w i f t 失稳。根据m k 理论应力集中将发生在沟槽最 深的部位。这时因为表面粗糙度降低了实际的材料厚度，使得最终的极限应变 比理论预测的要小j 。 文献 4 3 认为晶粒的大小将影响到材料的变形过程。在变形过程中由于晶 粒问强度的差异会引起变形的不均匀从而影响到材料的表面形态1 3 2 j 。 多晶体材料的变形在本质上是不均匀的，即每个晶粒的行为不同，甚至同 一晶粒不同部位也不同。在材料的变形过程中，积累的位错有两个来源，即晶 体中不同部分之间变形协调的需要以及位错的随机互相捕捉。多晶体试件中晶 粒内部变形主要是单滑移，为了相邻晶粒的变形协调，在靠近晶界两边的区域 晶格是旋转的，发生次滑移初始阶段每个单晶内部只有一个滑移系是活跃的， 因此，多晶体拉伸试件中的交形可以分成两步：开始由统计贮存位错引起整体 平均的变形，接着是由几何必须位错引起的局部变形不均匀i 舭】。在变形过程 中，随着变形的增加，在变形过程中，在某一载荷开始，在晶粒边界滑错的同 时出现晶粒的空间转动，随着载荷的增加，滑错与转动现象加剧，境界两侧的 剪应变差也加剧，晶粒内部的变形由均匀转向不均匀。晶界的滑移将使晶界变 宽和减薄1 4 “。因此，变形的局部化可能在晶界内或者晶界处发生，这取决于相 邻表面晶粒的取向。第二相质点的析出会使得材料的微观组织更加均匀，这也 将使得材料的表面桔皮现象得以缓解【4 6 】。 为了能够更好的预测材料在成形过程中表面的最终状况有的学者采用将塑 性结晶融入到有限元模拟中的办法来分析这个问题。在这些方法中将有限元构 建成晶粒结晶学，滑移系以及每个晶粒的晶粒取向都被考虑到，从而计算变形 反应，并且认为晶粒的形状对最终的不平度有响，随着在厚度方向晶粒数目的 增多，波动性显著增强，不平度的幅值将减小。细小的晶粒会产生小的不平度 幅值，并且在相同大小的晶粒下，板材越厚其不平度幅值越大【4 ”。 1 7 课题的来源与意义 铝合金( 5 a 0 2 ) 在内高压成形过程中成形变径管时经过大的变形后产生严 重的表顽质量问题并影响产品的质量。为了得到表面质量更好的零件，就必须 ：尘鎏王些盔耋二兰蝥：；耋竺鎏兰 对这种现象的产生机理进行全面的了解，并提出相应的防止措簏。 本文对5 a 0 2 铝合金变形过程中的应力应变状念以及材料本身对最终表诬 质量的影响进行了深入分机，指出影响5 a 0 2 铝合金成形后表面质量的因素及 其具体影响过程，并提出相应的防止措施，对提高铝合金零件的表面质量有一 定的借鉴意义。 1 8 课题的主要研究内容 1 通过管材在内高压成形过程中的变形过程分析，指出零件表面质量变化 特点并分析应力以及应变对材料表面性能的影响。 2 对影响材料表面质量的微观机制进行研究，指出不同因素对变形过程的 影响机制。 3 对不同因素对材料表面质量的影响进行定量分析，提出改善桔皮现象的 方法。综合各种因素对材料表面的影响，提出材料表面在变形过程中的演化机 制。 第2 章铝合金内高压成形过程中的表面质量问题 2 1 引言 本章通过对5 a 0 2 铝合金管材内高压成形过程的分析，对5 a 0 2 铝合金在 内高压成形过程出现的表面质量问题作了详细介绍，通过对比材料在内高压成 形过程与单向拉伸变形过程中的表面质量，分析了应力应交状态对铝合金表匠 质量的影响。 2 2 铝合金内高压成形过程中起皱后应力应变特点 2 2 1 5 a 0 2 铝合金管内高压成形过程 在本文研究中所用的铝合金牌号为5 a 0 2 ，初始坯料为中6 5 1 5 毫米的 挤压管材，最终要成形的零件形状如图2 1 所示。零件成形的原理图以及所 用的设备分别如图2 - 2 和图2 3 所示。 图2 - 1 成形后的零件图 n 靠尔滨t 业- 人学工学钡。学位论文 轴向力 图2 - 2 成形过程示意图 图2 - 3 模具在设备上的合模状态 零件的具体成形过程为：将原始管坯放入模具中，合模后管坯在内压力与 轴向力的共同作用下补料并起有益皱，当补料完成后经过纯胀形而成形为最终 的形状，图2 - 4 表示出材料的成形过程。 a ) 初始管坯b ) 补料量1 2 毫米 c ) 补料量2 6 毫米 d ) 最终形状 图2 4 铝合金管坯在不同成形阶段的状态 2 2 2 5 a 0 2 铝合金内高压成形过程中的应力应变分析 由于管坯在内高压成形过程中受到内部的液体压力以及轴向力的共同作 用，使其在同一时间不同的部位受力状态有很大的差别，并且同一部分材料随 着变形过程的进行也会经历不同的受力状态，在内高压成形过程中材料要经历 的应力- 应变状态是很复杂的，如图2 - 5 以及图2 - 6 分别对变形过程中经历的应 力、应变状态作了详细的分析。 。占。、玉每 a ) 波峰处应力状态 b ) k 点的应力状态c ) 波谷处应力状态 图2 - 5 管坯起皱后典型点的受力状态 堕耋鎏三些查耋王誊竺圭兰堡笙三 益占。参 瑚2 - 6 不同变形区的应变状态 图2 - 5 表示出管坯在变形过程中的受力状态，其中图a 表示波峰处的受 力状态 图c 表示波谷处的受力状态；k 点表示波峰与波谷中间的平面应力 状态；在其他变形区域波峰与k 点之间的材料受力状态与波峰相似，波谷与 k 点之间的材料受力状态与波谷相似，所存在的差别只是数值的不同。 图2 - 6 表示出各变形区域的应变状态其中图a 对应波峰处的应变状念； 图c 对应波谷处的应变状态；图b 对应平面应变状态。 从上述两图中可以看出，整个管材在变形过程中不同的变形区会对应三种 不同的应力状态和应变状态，不同部分的材料在变形时至少经历其中一种应变 状态( 波峰处) ，如果以变形过程中某时刻为研究对象并且我们将此时处于 平面应变的点定义为f 点，波峰与f 点之间的材料变形与波峰类似，波谷与f 点之间的材料变形与波谷类似。 为了能更加清楚到底表示不同点的应力一应变状态的变化情况，现从数值 模拟结果中取出一些典型点进行分析。数值模拟软件使用d y n a f o r m 2 1 ，加载 曲线如图2 - 7 所示。管坯划允成b e l y t s c h k o - t a s y 壳单元，模具划分为刚性壳 元。管坯材料模型为h i l l 各向同性弹塑性模型，符合m i s e s 屈服准则。摩擦采 用c o u l o m b 公式。选取的点在成形前后的位置如图2 - 8 所示。从图2 - 9 ，图2 1 0 可以看出在管材变形过程中的不同区域的变形是应力的变化相当复杂并且呈 现很大的差异。 言 凸 j r 出 - 匿 图2 7 加载路径 abcdef a bcdf 【儿l 图2 - 8 铝台金管材变形过程中典型点成形前后的位簧 尽管材料在内高压成形过程中经历的应力应变状态相差很大，但最终成 形后零件变径段的应变基本相同如图2 1 1 和图2 1 2 所示。从图中可以看出在 变形后零件在环向拉应变大的部位轴向压应变也较大。 堕玺鎏王些查兰三兰鎏三耋堡篁三 e ) e 点应力变化过程 f )f 点应力变化过程 图2 - 9 典型点应力变化过程 1 9 制 堪 星 酱 一一b c e a ) 环向应变 制 倒 图2 1 0 典型点的应变轨迹 b ) 轴向应变 图2 1l 零件最终的应变分布 图2 一1 2 最终成形后的实际应变分布 2 0 哈尔滨丁业人学工学顶j 学位论文 2 35 a 0 2 铝合金管材在内高压成形过程中的表面质量问题 2 3 1 零件表面质量的演化过程 出图2 一1 3 可以看出材料在变形过程中表面质量的变化，其中图a 为管材 表面的原始状态，从图a 中可以看出，管坯表面除了一些细小的划痕外其余部 分都比较光滑，图b 为管材在成形时的一种中间状态，此时同一管坯上不同部 位的材料有着不同的变形量，从图中的可以看出在材料变形大的地方( 波峰) 材料的表面比较粗糙而在变形量较小的地方( 波谷) 表面状态与变形前基本保 持一致从图。图c 和图d 中管材在经过变形后的内外表面的最终形态可以看 出，零件变径段表面在变形后出现整体上的粗糙不平并且分布比较均匀。 a ) 原始管材表面状态b ) 中间过程表面状态 c ) 最终零件表面状态d ) 零件内表面状态 图2 - 1 3 管材变形过程中的表面质量变化 从上述分析可以看出，在图2 1 3 中零件在中间过程中波谷处材料已经发 生环向应变但材料表面还没有出现粗糙不平现象，因此材料在内高压成形过程 中产生表面质量问题是在变形发展到一定程度后才出现的。从图2 1 3 b 中可以 看出材料表面出现质量问题后，不平度是随着变形量的增大逐渐加剧的。从图 窒i i 篓三些奎耋三耋堡兰竺鎏兰 2 - 1 3 c 与图2 - 1 3 d 可以看出，尽管材料在变形过积中经历不同的受力状态并发 生不同的变形过程，但成形后零件变径段的应变基本相同，表面形态也是相差 尤几，从图2 - 1 4 中也可匕上看出成形后零件表面不平度分布基本均匀。 8 。 7 d 一 椰 v 壁帅 舀 水 1 0 口 圈2 一1 4 零件成形后表面不平度分布 2 3 25 a 0 2 铝合金内高压成形过程中材料表面质量的演化特点 根据以上的分析结果，我臂 可以看出5 a 0 2 铝合金在内高压成形过程中的 表面质量演化有如下特点： 1 5 a 0 2 铝台金管材在内高压成形过程中只有应变量达到一定值后才出现 表面质量问题。 2 材料表面的不平度随着变形量的增加逐渐加剧。 35 a 0 2 管材在内高压成形过程中经历复杂的应力一麻变状态，最终的表 面质量取决于总的变形量( 包括压应变与拉应变) ，与变形过程关系不大。 2 4 单向拉伸与内高压成形条件下表面质量问题的对比 2 4 1 单向拉伸时材料的表面质量问题 为了能评价内高压成形状态下应力应变状态对材料在变形过程中表面质最 哈尔滨工业夫学t 学顾小学位论文 的影响，现在通过单向拉伸实验中材料表面状态的演化状况与内高压成形过程 中的表面状态加以对比。实验在5 5 6 9 电子万能材料实验机上进行，实验中所 用的拉伸从管材的轴向取样试样如图2 1 5 所示。实验速率为o 0 0 1 s ，数据 采集点5 点s 。 幽2 1 5 单向拉伸试样图 从图2 1 6 中5 a 0 2 铝合金在单向拉伸状态下不同变形量时材料表面的演 化过程从中可以看出，在单向拉伸状态下的材料也会产生表面质量问题，并且 与内高压成形过程中样最终的分布也比较均匀。圈2 1 7 给出了不同变形量 下材料表面不平度的数值。从图中可以看出在变形的初期材料表面的不平度是 随着变形量的增加呈线性增长，在变形的后期这种趋势逐渐减弱。 a ) 原始状态 b ) 变形量2 c l 变形量8 d ) 变形避1 5 图2 - 16 不同变形量下材料表面状态( 标尺：1m m 辑h ) 哈力；滨工业大学工学颂j ：学位论文 图2 1 7 不同变形量下材料变面不平度变化 2 4 2 内高压成形与单向拉伸条件下材料表面的对比 尽管在内高压成形过程与单向拉伸过程中材料表面演化过程有很多相似之 处，但在相同伸长变形的条件下内高压成形过程中的材料表面要好于单向拉伸 状态下材料的表面质量如图2 1 8 所示。从图中可以看出，单向拉伸状态下在 变形量1 2 时材料表面已经显得明显粗糙而在内高压成形过程中材料的表面 质量却没有十分显著的变化。由于在两种不同的变形条件下材料的组织是一样 的( 从相同的管材上截取) ，并且从图，因此最终决定这种差异的是材料的应 力应变状态。材料在单向拉伸时只有正应力，而在内高压成形过程中要受到 轴向压应力，环向拉应力以及厚度方向压应力，由于1 3 t 值较大，因此厚度 方向压应力的影响可以忽略。在内高压成形过程中环向拉应力相当于单向拉伸 过程中的正应力，此时材料在变形过程中所受应力状态与单向拉伸时唯一的不 同就是在受环向拉应力的同时还要受到一个由轴向推力引起的压应力，这就使 得材料在产生大的环向伸长变形的同时在还会产生大的轴向压缩变形，因此可 以肯定压应力的存在可以改善材料的表面质量。从图2 1 9 以及图2 。2 0 的数值 模拟结果以及实际变形过程中的应变分布可以很真观的看出材料在内高压成 形过程每一部分都有轴向压应变的存在。 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 a ) 单向拉伸b ) 内高压成形 图2 1 8 内高压成形与单向拉伸条件下表面质量的对比( 标尺：1 m 耐格) a ) 变形中间过程的环向拉应变 b ) 变形中间过程的轴向压应变 图2 1 9 管坯变形过程中中间状态的应变分布 图2 2 0 变形中问状态的实际应变分布 2 5 哈尔滨工业人掌工学硕：学位论立 2 4 3 内高压成形过程中轴向应力应变对材料变形过程的影响 在变形过程中，材料表面不平度的出现主要是由于不同变形区交界处产生 明显的变形不均匀，如图2 2 1 所示。材料在变形过程中产生不均匀变形后薄 弱处成为应力集中的部位，随着变形的发展这些部位的变形不均匀现象逐渐加 剧并最终在这些部位产生断裂。在内高压成形过程中由于有强烈的轴向压力存 在，使得材料在变形过程中不仅有坏向的拉伸变形还有轴向的压缩变形。此时 的薄弱部位不仅抵抗拉应力的能力弱于其它部位，同时抵抗轴向镦粗效应的能 力也同样低于其它部位，在轴向力的作用下最终颈缩部位在环向伸长的同时还 会发生轴向镦粗，镦粗的效果使得薄弱部位的变薄量减小、坏向抗拉能力与单 向拉伸条件下相比提高，并最终使得变形交界处的变形差异不会随着变形的发 展而显著变大，从而降低材料表面的不平度，具体机制如图2 - 2 2 ，图2 2 3 所 示。从根本上说是材料在变形过程中的压应变抑制了变形弱区的发展从而使变 形后的材料表面的不平度较低，这正是内高压成形过程中材料的表面不平度要 明显好于单向拉伸状态的主要原因。 图2 2 l 材料表面的不同变形区 蹦2 2 2 材料在单向应力状态下的变形发展 晗自镞t 业大学工学砸| j 学位论文 2 5 本章小结 8 ) 类型lb 1 类型2 图2 2 3 材料在内高压成形状态f 变形的发展 i 5 a 0 2 铝合金在变形过程出现表面质量问题，材料在变形过程中存在 临界应变，只有应变量超过这个值材料j + 会产生表面变形二均匀现象。 2 内高压成形过程中材料最终的表面质量由最终的应变量决定与变形过 程无关。 3 材料表面出现变形不均匀是一个非线性过程，在变性的中间过程芨展 最快，在变形的前期与后期发展缓慢。 4 在材料的变形过程中轴向压应变的存在有利于提高材料最终的表面质 量。 哈尔滨t 业入学t 学硕士学位论文 第3 章影响5 a 0 2 铝合金变形后表面质量的显微因素 3 1 引言 本章将就5 a 0 2 铝合金变形过程中出现的表面质量问题与传统表述进行对 比，指出本文研究中出现的问题与传统i n - j 题的区别与联系。从微观角度指出影 响5 a 0 2 铝合金变形过程的影响因素，为改善材料变形后的表面质量从微观角 度打下理论基础j 3 2 铝合金变形过程中表面质量的影响因素 3 2 1 铝合金表面质量问题的经典表述 铝合金变形过程中存在的表面质量问题由来己久，在文献( 4 8 中提到铝合 金在j 口- v 过程中存在的常见的表面质量问题主要有三种。 1 吕德带 某些铝合金( 例如铝一镁系合金) 在拉伸应变时存在明显的屈服点及屈服点 伸长。在屈服点伸长范围内的塑性变形是不均匀的。当应力达到上屈服点后， 首先在试样的应力集中部应力立即急剧下降，随后这种变形带就沿长度方向继 续形成或扩展，产生屈服点伸长。在应力一应变曲线上，将出现一系列台阶或 锯齿，这种现象一直到试样缩颈为止。台阶线上每一个小波动就对应于一个新 变形带形成，这种变形带通常称为吕德带。它与试样未变形部位有明显的界 线，并与拉伸轴差不多呈4 5 度角，如图3 1 中的a 图所示。 2 桔皮现象 具有粗晶粒的铝合金加工制品，在深拉、弯曲或拉伸成形时，则在成形制 品的表面有时会产生一种粗糙的、桔皮一样的形貌，如图3 1 中b 图所示。此 现象是晶粒间不均匀变形的外观表象。材料的晶粒愈细，变形愈均匀，因而面 表面愈为光洁