（材料加工工程专业论文）alcu合金板材室温成形性能的研究.pdf

a i c u 合金板材室温成形性能的研究 摘要 当今社会能源和环境问题变得越来越突出，汽车轻量化技术是实现节约能 源、保护环境的一个重要途径，而铝合金以其一系列优良的特性受到了人们的 普遍关注。除价格因素外，铝合金板材在室温下产生的锯齿形屈服行为使其成 形性能下降，这大大影响了铝合金在汽车领域的进一步推广应用。本文从铝合 金的成分设计、轧制工艺及热处理工艺三大方面研究了它们对a 1 c u 合金组织、 力学性能、室温成形性能和锯齿形屈服行为的影响。主要结论如下： ( 1 ) 析出相颗粒对a 1 c u 合金的锯齿形屈服行为影响很大，随着合金试样 c u 含量的增多，锯齿形屈服行为逐渐减弱直至消失。平均应力跌幅和平均跌落 时间随c u 含量的增加均呈下降趋势，而平均再加载时间随c u 含量的增加逐渐 增大，临界应变在c u 含量为5 7 处达到了最大值。 a 1 c u 合金板材的抗拉强度和屈服强度随c u 含量的增加均先升高后减小， 在c u 含量为5 7 时达到了最大值，且此时合金板材的极限拉伸系数和制耳率 都到达了最小值，总的来说，a l 一5 7 c u 合金板材的室温成形性能较优。 ( 2 ) a 1 4 9 c u 合金板材锯齿形屈服的平均应力跌幅、平均再加载时间和 平均跌落时间均在成品冷轧总加工率为6 0 时出现极值点，除极值之外，平均 应力跌幅、平均再加载时间和平均跌落时间的变化都不大，当成品冷轧总加工 率为6 0 及6 6 7 时，合金板材锯齿形屈服行为的临界应变较大。 合金板材的抗拉强度、屈服强度等各种力学性能，在成品冷轧总加工率为 6 0 处达到了极值，而当成品冷轧总加工率为3 0 和5 0 时，合金板材的各种 力学性能均较优。杯突i e 值随成品冷轧总加工率增加先上升后下降，但是它们 的i e 值相差并不大。综合各种实验分析得出成a 1 4 9 c u 合金板材最佳的成 品冷轧总加工率为：3 0 及5 0 。 ( 3 ) 时效态的a 1 4 9 c u 合金板材单向拉伸时并没有出现锯齿形屈服行 为。沉淀产物与基体的晶格结构关系对合金板材的性能有很大的影响，合金板 材随着时效温度的增加，其抗拉强度和屈服强度先上升后下降。在小于等于 1 5 0 下时效时的合金板材，其抗拉强度、屈服强度和延伸率均比时效温度大于 1 5 0 时效时的合金板材高。杯突i e 值在时效温度为l1 0 时达到了最大值。 当进行5 0 0 2 h 固溶处理时，较优的时效处理工艺为：l5 0 3 h 时效处理。 关键词：a 1 c u 合金板材；室温成形性能；锯齿形屈服行为；c u 含量；析出相； 成品冷轧总加工率；时效温度 s t u d yo ft h er o o mt e m p e r a t u r ef o r m a b i l i t yo f a i - c u a l l o ys h e e t a b s t r a c t r e s o u r c e sa n de n v i r o n m e n tp r o b l e m sb e c o m em o r ea n dm o r es e v e r ei nc u r r e n t s o c i e t y t h ea u t o m o t i v el i g h t w e i g h t i n gt e c h n o l o g yi so n eo ft h ei m p o r t a n tw a y st o r e a l i z es a v i n ge n e r g ya n dp r o t e c t i n ge n v i r o n m e n t ，a n dp e o p l ep a yc l o s ea t t e n t i o nt o a l u m i n u ma l l o yw h i c hh a v eas e r i e so fe x c e l l e n tp r o p e r t i e s b e s i d e st h ep r i c e f a c t o r s ，h o w e v e r ，t h ef o r m i n gp r o p e r t yo fa 1s h e e tm a t e r i a l sa tr o o mt e m p e r a t u r ei s g r e a t l yd e c r e a s e db yt h es e r r a t e dy i e l d i n gp h e n o m e n o n ，w h i c hl i m i t st h e i rf u r t h e r a p p l i c a t i o ni n t h ea u t o m o b i l ef i e l d i nt h i s p a p e r ，t h ei n f l u e n c eo fc h e m i c a l c o m p o s i t i o n ，r o l l i n gp r o c e s sa n dh e a tt r e a t m e n tp r o c e s so nt h em i c r o s t r u c t u r e ， m e c h a n i c a lp r o p e r t y ，r o o m t e m p e r a t u r ef o r m a b i l i t y a n dt h es e r r a t e d y i e l d i n g p h e n o m e n o no fa 1 一c ua l l o ys h e e tw e r ei n v e s t i g a t e d t h em a i nc o n c l u s i o n sa r ea s f o l l o w s ： ( 1 ) d i s p e r s e dp h a s ep a r t i c l e se x e r tat r e m e n d o u si n f l u e n c et os e r r a t e dy i e l d i n g p h e n o m e n o no fa 1 一c ua l l o y , a n dw i t hi n c r e a s i n gt h ec o p p e rc o n t e n t ，t h es e r r a t e d y i e l d i n gp h e n o m e n o ng r a d u a l l yw e a k e nu n t i ld i s a p p e a r e d w i t hi n c r e a s i n gc o p p e r c o n t e n t ，t h em e a ns t r e s sd r o pa m p l i t u d ea n dm e a nd r o pd u r a t i o ni so nad e c l i n i n g c u r v e ，b u tt h em e a nr e l o a d i n gt i m eg r a d u a l l yi n c r e a s e s c r i t i c a ls t r a i nr e a c h e si t s m a x i m u mv a l u ew h e nt h ec o p p e rc o n t e n ti s5 7 w i t hi n c r e a s i n gc o p p e rc o n t e n t ，t h et e n s i l e s t r e n g t ha n dy i e l ds t r e n g t ho f a 1 - c ua l l o ys h e e ti n c r e a s ea n dt h e nd e c r e a s e ，r e a c h i n gt h em a x i m u ma t5 7 c o p p e rc o n t e n t ，a n dm e a n w h i l et h el i m i td r a w i n gc o e f f i c i e n ta n dt h ee a r i n gr a t ea r e m i n i m u m i ns u m m a r y ，t h ea 1 - 5 7 c ua l l o ys h e e th a st h eb e t t e rr o o mt e m p e r a t u r e f o r m a b i l i t y ( 2 ) t h em e a ns t r e s sd r o pa m p l i t u d e ，r e l o a d i n gt i m ea n dm e a nd r o pd u r a t i o no f a 1 4 9 c ua l l o ys h e e ta p p e a re x t r e m ev a l u ep o i n tw h e nt h et o t a lc o l dp r o c e s s i n g r a t i oo ff i n i s h e dg o o d si s6 0 ，a n do t h e r w i s et h e yv a r yl i t t l e c r i t i c a ls t r a i ni s r e l a t i v e l yl a r g ew h e nt h et o t a lc o l dp r o c e s s i n gr a t i oo ff i n i s h e dg o o d si s6 0 a n d 6 6 7 t h et e n s i l es t r e n g t h ，y i e l ds t r e n g t ha n de l o n g a t i o no fa 1 一c ua l l o ys h e e tr e a c h t h e i re x t r e m ep o i n t sw h e nt h et o t a lc o l dp r o c e s s i n gr a t i oo ff i n i s h e dg o o d si s6 0 ， w h i l ew h e nt h et o t a lc o l dp r o c e s s i n gr a t i oo ff i n i s h e dg o o d si s30 a n d50 ，t h e c o m p r e h e n s i v em e c h a n i c a lp r o p e r t i e s a r eb e t t e r w i t h i n c r e a s i n g t o t a lc o l d p r o c e s s i n gr a t i o o ff i n i s h e d g o o d s ，t h ee r i c h s e nn u m b e ri n c r e a s e sa n dt h e n d e c r e a s e s ，b u tt h e ya r en o tm u c hd i f f e r e n t t h ef a v o r a b l et o t a lc o l dp r o c e s s i n gr a t i o o ff i n i s h e dg o o d so fa 1 - 4 9 c ua l l o ys h e e ti s3 0 o r5 0 ( 3 ) a l - 4 9 c ua g e da l l o ys h e e th a v en os e r r a t e dy i e l d i n gp h e n o m e n o nw h e n u n i a x i a lt e n s i o n t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e np r e c i p i t a t ea n dt h ec r y s t a ls t r u c t u r eo f m a t r i xh a v eg r e a te f f e c to np r o p e r t i e so fa 1s h e e tm a t e r i a l s w i t hi n c r e a s i n ga g i n g t e m p e r a t u r e ，t h et e n s i l es t r e n g t ha n dy i e l ds t r e n g t hi n c r e a s ea n dt h e nd e c r e a s e w h e nt h ea g i n gt e m p e r a t u r ei sl e s st h a no re q u a lt o15 0 。c ，t h et e n s i l es t r e n g t h ， y i e l ds t r e n g t ha n dt h ee l o n g a t i o na r eh i g h e rt h a nt h o s ea ta g i n gt e m p e r a t u r ea b o v e 15 0 。c w h e nt h ea g i n gt e m p e r a t u r ei s1io * c ，t h ee r i c h s e nn u m b e ri sm a x i m u m t h u sf o ra 1 - 4 9 c ua l l o ys h e e ts o l u t e da t5 0 0 。cf o r2h o u r s ，t h ef a v o r a b l ea g i n g t e m p e r a t u r ea n dt i m ea r e15 0 a n d3h o u r s k e y w o r d s ：a i c ua l l o ys h e e t ；r o o mt e m p e r a t u r ef o r m a b i l i t y ；s e r r a t e dy i e l d i n g ； c o p p e rc o n t e n t ；p r e c i p i t a t e dp h a s e ；t o t a lc o l dp r o c e s s i n gr a t i oo f f i n i s h e dg o o d s ；a g i n gt e m p e r a t u r e 致谢 本文是在导师陈忠家教授的悉心指导下完成的。在近三年的研究学习生活 中，导师的精心指导、帮助和鼓励使我克服了论文工作中所遇到的各种困难， 并顺利地完成了硕士论文。衷心地感谢导师在科研和学习上给予我无微不至的 关怀，导师渊博的学术知识、严谨的科研念度和对事业勤奋追求的精神均使我 受益非浅，并成为我今后在学习和生活中的榜样，在此向尊师致以衷心的感谢 和崇高的敬意! 衷心感谢张强老师、昝样老师、王强老师、何元祥老师、郑玉春老师等老 师在实验中给予的指导、支持和帮助；感谢汪祥鹏、柳月静、刘晓燕和刘萍等 师姐及何艳生、韩永志等师兄在课题实验和生活中给予的关心与帮助；感谢本 届同学和所有师弟师妹们对我实验的支持和帮助。对关心和支持我顺利完成学 业的老师和同学们，再次一并表示诚挚的感谢! 深深地感谢我的父母，他们积极向上的生活态度和艰苦奋斗的拼搏精神一 直都是我学习的榜样，谨以此文先给我的父母，祝愿他们健康幸福。 最后，感谢所有给予我支持和帮助的老师和同学们! 作者：孙萍 2 0 1 2 年0 4 月1 2 日 插图清单 图1 1低碳钢中l o d e r sb n a d 形成示意图3 图1 2a l 合金中p l c 效应示意图3 图1 p l c 效应的应力锯齿形态( a 类型、b 类型、c 类型) 5 图1 4p l c 效应的三种应力分布形态5 图1 5不同加载速率下p l c 效应的应力锯齿形态和对应的试件表面痕迹 6 图1 6铝合金二元相图的相区分7 图1 7二辊可逆式粗轧机示意图1 0 图2 1实验的具体工艺流程1 3 图2 2a 1 一c u 合金相图一2 0 图2 3标准拉伸试样尺寸2 2 图2 4拉深模具及关键尺寸2 3 图2 5典型拉深筒形件2 3 图2 - 6杯突实验模具尺寸及公差2 4 图2 7 杯突实验后的试样2 4 图3 1c u 含量对a i c u 合金铸态显微组织的影响一2 6 图3 2c u 含量对a 1 一c u 合金板材显微组织的影响一2 6 图3 3c u 含量对a i c u 合金板材主要力学性能的影响一2 7 图3 4c u 含量对a i c u 合金板材应变硬化指数的影响一2 8 图3 5室温下a 1 c u 合金试样拉伸实验的应力一时间曲线2 9 图3 - 6a i c u 合金锯齿形屈服现象应力跌幅的概率统计3 0 图3 7平均应力跌幅随c u 含量的变化关系3 1 图3 8平均再加载时间及平均跌落时间随c u 含量的变化关系一3 2 图3 - 9临界应变随合金c u 含量的变化关系3 3 图3 1 0c u 含量对a 1 一c u 合金板材极限拉深系数的影响3 4 图3 1 lc u 含量对a 1 一c u 合金板材制耳率的影响3 4 图4 1a 1 4 9 c u 合金的铸态组织3 6 图4 2成品冷轧总加工率对a 1 4 9 c u 合金板材显微组织的影响3 7 图4 3成品冷轧总加工率对a 1 4 9 c u 合金板材强度的影响3 8 图4 4成品冷轧总加工率对a 1 4 9 c u 合金板材延伸率的影响3 9 图4 5成品冷轧总加工率对a l 一4 9 c u 合金板材应变硬化指数的影响4 0 图4 - 6室温下a 1 4 9 c u 合金试样拉伸实验的应力一时间曲线4 1 图4 7a 1 4 9 c u 合金锯齿形屈服现象应力跌幅的概率统计4 2 图4 8平均应力跌幅随成品冷轧总加工率的变化关系4 3 图4 9 图4 10 图4 1 1 图5 1 图5 - 2 图5 3 图5 4 图5 5 图5 - 6 平均再加载时间及平均跌落时间随成品冷轧总加工率的变化4 4 临界应变随成品冷轧总加工率的变化4 5 成品冷轧总加工率对a l 一4 9 c u 合金板材杯突值的影响4 6 时效温度对a l 一4 9 c u 合金板材显微组织的影响4 9 时效温度对a 1 4 9 c u 合金板材强度的影响5 0 时效温度对a l 一4 9 c u 合金板材延伸率的影响5 1 时效温度对a l 一4 9 c u 合金板材应变硬化指数的影响5 1 室温下a 1 - 4 9 c u 合金试样拉伸实验的应力一应变曲线5 2 时效温度对a 1 4 9 c u 合金板材杯突值的影响5 3 表1 1 表2 1 表2 2 表2 3 表2 4 表2 5 表2 6 表2 7 表2 8 表2 - 9 表2 1 0 表2 1 1 表2 一1 2 表2 13 表2 1 4 表3 1 表格清单 美国汽车平均用铝量统计l a i c u 合金的化学成分一1 4 a 1 一c u 合金的热轧加工工艺1 4 a 1 c u 合金的冷轧加工工艺1 5 方案l 的各道次压下量及变形率一1 5 方案2 的各道次压下量及变形率1 6 方案3 的各道次压下量及变形率一1 6 方案4 的各道次压下量及变形率1 6 方案5 的各道次压下量及变形率一1 7 方案6 的各道次压下量及变形率一1 7 a i c u 合金板材的热处理工艺一1 7 合金元素的特性18 部分a 1 一c u 合金沉淀产物与时效温度的关系2 1 c m t 5 1 0 5 型微机控制电子万能实验机的基本参数2 2 j 2 3 8 0 型压力机主要参数2 2 实验制备a 1 c u 合金板材的化学成分( w t ) 2 5 第一章绪论 1 1 引言 能源、环境和安全是当今世界汽车行业面临的三大问题，因此各国政府先 后制定了能源保护、噪音控制、废气排放和安全保障等相关法规【l 】。其中以能 源问题尤为突出，为了节约能源、保护环境，汽车轻量化技术在实现这一目标 中发挥了重要作用。研究表明l l 】，轿车车重每减轻1 0 ，油耗可降低8 1 0 ， 载货车( 1 6 2 0 t 级) 每减重1 0 0 0 k g ，油耗可降低6 一7 。 为了减轻汽车自重，一是优化汽车的结构，二是选用轻质材料制造汽车的 结构件，三是采用先进的加工制造工艺。到目前为止，优化汽车结构已无太大 的潜力可供挖掘。而对于采用先进的加工制造工艺来说，国内主要依靠进口国 外的先进加工制造设备，资金消耗大。因此，汽车行业普遍注重于开发利用铝、 镁、钛等轻质合金材料来实现汽车的轻量化f 2 j 。铝作为地壳中含量最高的金属 ( 约8 13 ) ，其合金与汽车用钢铁材料相比，具有较高的强度重量比、抗冲 击性能好、弹性好、密度小以及极高的再回收率、再生率等一系列优良特性， 受到了人们的普遍关注p j 。资料显示，北美汽车的用铝量自1 9 9 1 年使用高强度 铝合金以来已增加了2 倍，皮卡、微型厢式车和运动多用途车( s u v ) 上的用 铝量呈3 倍增长趋势，平均每辆车用铝量比轿车( 平均1 0 9 k g 辆) 增长还多， 达到了1 1 6 1 k g ，目前，铝合金己广泛应用于汽车车身、底盘零部件以及发动机 的某些部件上，表1 1 统计了1 9 9 1 2 0 0 6 年美国汽车平均用铝量【4 1 。 表1 一l美国汽车平均用铝量统计【4 l 由于铝合金的价格比钢铁材料要贵得多，限制了其在汽车工业中更广泛的 应用。虽然目前许多钢铁业主开始投资铝产业，使竞争加剧，造成铝锭的价格不 断下降，并推动了新的低成本生产方法的研究开发和应用【5 j ，尽管如此，国产 汽车铝合金板材使用量依旧很少，究其原因主要有，第一，铝合金板材成形性 不如钢材好，特别是局部拉延性不好，容易产生裂纹；第二，尺寸精度和回弹 难以控制；第三，在生产和运输中零件表面易产生碰伤、划伤等缺陷；第四， 因铝合金板材不能像钢板那样还采用磁力搬运和传递，运输困难，需要设计新 的方案【6 】。以上各因素中，最突出的问题就是铝合金板材的成形性能。究其原 因主要是由于铝合金板材在室温下成形时会产生锯齿形屈服行为，从而造成了 材料的可成形性下降，并且因此降低了成形零件的表面质量。因此，进行铝合 金板材室温成形性能的研究，探索合金成分组织工艺性能之间的相互关系， 揭示铝合金材料设计、锯齿形屈服行为及室温成形性能问的相互关系，这对我 国自主开发设计轻型铝合金结构件、振兴我国汽车工业具有重要意义【2 j 。 1 2锯齿形屈服行为 1 2 1锯齿形屈服行为简介 锯齿形屈服行为( s e r r a t e dy i e l d i n g ) ，又称为p o r t e v i n l ec h a t e l i e r 效应， 通常被认为是材料的固有属性，是指一些合金材料( 置换型和间隙型合金) 在 一定的温度和应变率范围内变形时所发生的特殊的材料塑性失稳现象【7 叫j 。 早期对不稳定性问题的研究可以追溯到对l u d e r sb a n d 和上下屈服极限的 研究 1 0 , 1 1 1 。低碳钢在常温拉伸时会发生明显的屈服现象，如图1 1 所示，可以 看出应力从上屈服点跌落到下屈服点，并在下屈服点后伴随着一个应力平台区 域( 有时存在少量的应力起伏，此时对应于l u d e r s 带沿着试件传播) i l 引。这种 塑性失稳行为的产生是由于此时试件内部的位错突然挣脱了溶质原予气团等障 碍的束缚并大量增殖，从而引起了材料的应变软化，并且试件内部局部变形区 域内的大量位错滑移到试件表面形成l u d e r s 带，接着应力平台区域的塑性变形 将会通过l u d e r s 带沿着试件连续传播而进行【l 引。当试件内的塑性变形经过应力 平台区域之后，塑性变形以宏观的均匀稳定方式进行，l u d e r s 带将不再出现， 加工硬化效应起主要作用。低碳钢塑性变形过程中产生的l u d e r s 带会使金属板 材表面产生宏观上可分辨的带状痕迹，这对其后续的工业应用造成了一定的影 响【1 2 】。然而，由于低碳钢应变软化阶段才出现l u d e r s 带，为了消除低碳钢中 l u d e r s 带的不利后果，工业上通常只需要将其加工预变形至加工硬化阶段就行。 当合金材料在一定的温度和应变率范围下变形时会出现另外一种特殊的材 料塑性失稳现象，即锯齿形屈服行为。锯齿形屈服行为与l u d e r s 带的现象不同， 它经常在时域上，即应力应变曲线上表现出连续的屈服现象( r e p e t i t i v e y i e l d i n g ) ，并且在变形过程中应力会反复的跌落呈现出锯齿状；而同时在空域 上，即在试件上会出现反复的静态或动态传播的应变局域化现象( s t r a i n l o c a l i z a t i o n ) ，这种带状的局部应变区域被研究人员称之为p l c 变形带【l2 | ，如 图1 2 所示。很多研究表明，一些重要的工业应用合金，其中包括大多数钥材 以及a 1 、c u 、t i 、v 、n b 等合金，在通常的温度和常规的应变率范围内均会出 现锯齿形屈服行为 1 4 1 。由于p l c 变形带的反复出现，使得工业上只能尽量避免 在出现锯齿形屈服行为的温度和应变率区问内对板料进行加工成形。 2 弋) a o j ，- 乱 薹 、， 协 协 窭 _ 0 9 e l o n c j a t i o n 图1 1低碳钢中l o d e r sb n a d 形成示意图”】 16 0 8 0 o 02 0 04 0 0 t i m e ( s ) 图1 - 2a i 合金中p l c 效应示意图n 2 1 n 1 9 2 3 年，p o r t e v i n 和l e c h a t e l i e r 对室温下铝合金加载中的锯齿形屈服现 象进行了系统实验研究，他们在常应变率( 8 m i n ) 下对a 1 4 5 c u 0 5 m g ， a 1 4 5 c u 合金进行拉伸试验，观察到试件表面有痕迹( s p e c i m e nm a r k i n g ) 出 现，并且在非连续点出现的时候间或伴随有可听到的声音，随后便对锯齿形屈 服现象进行了系统报导，故锯齿形屈服行为也称为p o r t e v i n l ec h a t e l i e re f f e c t ( p l c 效应) 1 1 6 , 1 川。之后，一方面由于p l c 效应复杂的非线性和局域化的特征， 得到了学术界的重视；另一方面p l c 效应又影响到工业中合金成形的表面质 量，使得它在应用领域也受到广泛的关注【1 8 】。 1 2 2 锯齿形屈服行为的研究概况 对产生锯齿形屈服现象的理论解释，目前被广泛接受的是由c o t t r e l l 提出 的“动态应变时效”( d y n a m i cs t r a i na g i n g ，d s a ) 理论，即可动位错与溶质原子 之间的动态相互作用【l 圳。具体来说是合金在塑性变形过程中，当应变率足够低 或者温度足够高的情况下，此时溶质原子的扩散速度和可动位错的移动速度接 近，使得溶质原子能够赶上可动位错并将其“钉扎”住，此时宏观上表现为应 力的上升，当位错在外力的作用下，以热激活的方式再次挣脱溶质原子的束缚， 此时宏观上表现为应力迅速跌落，表现为负应变率敏感性，这种反复地“钉扎” 和“脱钉”的过程从而引起了应力一时间曲线的锯齿形变化( 时域上) 2 0 , 2 1 和 p l c 变形带的形成和传播( 空域上) 2 2 , 2 3 。 c o t t r e l l 提出的动态应变时效理论的前提是溶质原子的扩散速度和位错的 运动速度相当，但是后来的学者发现溶质原子的扩散速度并不如c o t t r e l l 所假 设的那样迅速，所以研究人员先后又提出了体扩散说( 晶格扩散) 、管扩散( 位 错扩散) 、穿过核的扩散等各种理论，可见对于溶质原子的具体扩散机制仍存在 很多争论，但是广大的p l c 效应的研究者所认可的是溶质原子的管扩散机制。 在基于d s a 的具体微观机制方面也存在着争论【_ 7 ，2 4 1 ，研究者们在各自解释的基 础上建立起了一些经典的模型。例如研究三种类型位错( 钉扎有c o t t r e l l 气团 的位错、可动位错、不可动位错) 相互转化过程的a n a n t h a k r i s h n a 模型【25 1 、位 错周围溶质原子浓度动态变化过程的m c c o r m i c k 模型【2 6 】以及研究邻位错密度 和可动位错动态演化过程的k u b i n e s t r i n 模型拉7 1 。以这些模型为基础，研究人 员进行了大量的数值模拟工作1 2 s - 3 2 。 对p l c 效应的实验研究早期主要集中在其时域行为，即对应力应变曲线 的观察和特征量( 比如应力跌落幅值、等待时间、跌落时间等) 的统计分析上 3 3 , 3 4 】。除拉伸实验外，在压缩35 1 、扭转36 1 、甚至微压痕试验3 7 1 等变形方式中 也相继观察到了p l c 效应。但是刚性试验机上的拉伸实验依然是目前研究p l c 效应的主要手段【l 引。1 9 8 7 年，c h i h a b 根据定加载应变率的拉伸实验中宏观应 力锯齿的不同形态，将p l c 效应划分为a 、b 、c 三类，如图1 3 所示，当在 应变率较高下的情况下( 约1o - 3 s o ) ，应力锯齿呈a 类型带连续传播，应力锯 齿难辨识( 图1 3 c 所示) ；较低应变率下( 约l o - s s 。1 ) ，c 类型带出现在试件随 机位置，应力锯齿规则明显( 图1 3 a 所示) ；中应变率( 约10 - 4 s _ ) 下，b 类 型带跳跃传播，应力锯齿类型介于前两者之问( 图1 3 b 所示) 2 2 1 。 4 享”o ： 03 b o i 一 厶 芝 、一 b 3 7 s 仃 厶 乏 b3 5 0 a b t y p i c a l3 t r e 5 sv s l 鼬r c q f r e 嚣a tt 3 0 4y 2 , 1 墨矗：a 5 1 0 65 l ( t y p qc ) 氓 a - 5 - i o 。- s - 1 ( t y p eb c ：电5 1 0 3a - 1 ：( t y p e ) 图1 - 3p l c 效应的应力锯齿形态( a 类型、b 类型、c 类型) 1 2 2 随着研究的推进，近年来对p l c 效应时域行为的研究重点转向了对锯齿形 应力曲线的考察和统计上。p i n k 3 4 1 和l e b y o d k i n 3 8 ，3 9 1 受地震研究的启发，对p l c 效应发生时的应力锯齿进行了统计析，得到了三种类型的应力跌幅分布，如图 1 4 所示。 图1 4p l c 效应的三种应力分布形态 ( a ) 峰状分布：( b ) 中间分布；( c ) 不对称的单调递减分布【3 3 】 随着实验技术的进步，关于p l c 效应的空域行为的研究也逐渐开展开来。 人们采用了数字图像相关法( d i g i t a li m a g ec o r r e l a t i o n ，d i c ) 【40 1 、声发射法 ( a c o u s t i ce m i s s i o n ，a e ) 4 1 】、激光引伸计法( 1 a s e re x t e n s o m e t e r ) 4 2 1 、阴影法 ( s h a d o w g r a p h ) 1 2 2j 和数字散斑法( d i g i t a ls p e c k l ep a t t e r ni n t e r f e r o m e t r y ，d s p i ) 【4 3 】等各种观测方法对p l c 变形带的空间特性进行了研究。随着近年来红外热成 像技术在商业上的广泛应用，红外测温法( i n f r a r e dp y r o m e t r y ) 也成为研究p l c 效应空域行为的一种重要研究手段 4 4 , 4 5 。p l c 效应空域上的应变局域化现象通 常以变形带的方式出现，1 9 8 7 年c h i h a b 采用阴影法对p l c 变形带进行观测， 茁攀蒌呈dc霆纺整荔 根据p l c 变形带的不同空间传播特性并结合应力锯齿的不同形态，将p l c 效 应分为三类：沿着试件表面连续传播的a 类型带，沿着试件表面问断跳动传播 的b 类型带和在试件表面随机形成的c 类型带【22 1 ，如图1 5 所示。 富4 0 0 夏 b 3 8 0 一3 r 5 缁 轧 乏 b 3 5 0 j 愿 c l z 、_ 一 b 3 7 5 缄= 2 4 0s a s a b c 图1 5 不同加载速率下p l c 效应的应力锯齿形态和对应的试4 t ：表面痕迹1 2 2 】 l e b y o d k i n 及其合作者受到自组织临界性的启发，对实验结果，即p l c 效 应的三种类型进行了分析统计，得出各类型的应力跌幅分布和按幅值统计的结 果差异较大，且应力跌幅与其概率密度在低应变率下满足幂律关系1 3 2 , 3 3 , 3 8 1 。 a n a n t h a k r i s h n a 率先采用非线性动力学的方法来研究p l c 效应，为理解塑性失 稳开辟了一条新的道路1 4 6 - 4 9 1 。他通过对应力时问序列的统计分析，发现p l c 效 应在中低应变率时呈混沌( c h a o t i c ) 状态，而在高应变率时呈现自组织临界性 ( s e l f - o r g a n i z e dc r i t i c a l i t y ，s o c ) 5 0 , 5 。近年来越来越多的研究表明，在相当大 的尺度范围内，p l c 效应体现出时间和空间上的相关性，表现为一个复杂系统， 其演化具有自组织临界性的特征 5 0 , 5 2 1 。这种依赖于应变率( 从混沌状态到自组 织临界性) 的动力学转变( d y n a m i cc r o s s o v e r ) 是十分罕见的，目前，仅在p l c 效应和水动力学湍流问题中发现该现象的存在1 5 3 , 5 4 。 p l c 效应的微观起源是材料由于位错移动和溶质原子的相互作用而引起的 动态应变时效( d s a ) ，在宏观尺度方面，这一动态应变时效导致流动应力的负 应变率敏感性( s r s ) 使塑性变形不均匀【5 引。尽管近几十年来不少学者基于可 动位错与林位错及溶质原子气团问的动态交互作用对p l c 效应微观机理和模 型进行了深入的研究p6 ，5 7 j ，而对其他障碍( 如沉淀相粒子) 的关注则较少。但 是大量实验和研究表明，沉淀相的析出和溶解等动力学过程对合金材料塑性行 为的影响非常显著【5 8 6 0 】。 1 3铝合金板材的室温成形性能 1 3 1铝合金板材概述 纯铝具有一系列优良的特性：( 1 ) 密度低，铝的密度约为2 7 1 0 3 k g m 3 ， 只有铜或钢的1 3 。( 2 ) 优良的导电性和导热性，铝的导电性和导热性仅次于 银、金和铜，导电率约为纯铜的6 2 。( 3 ) 耐腐蚀，铝在自然条件下表面会生 成保护性氧化物，具有比钢铁好的多的耐腐蚀性。( 4 ) 易回收，回收铝的能耗 只有冶炼的3 。( 5 ) 易表面处理，可通过阳极氧化和微弧氧化等表面处理工 艺，使其表面形成一层坚固美观的保护膜，起到保护与装饰的作用【6 1 1 。但是在 大多场合下，纯铝的性能并不能满足使用要求，因此在纯铝中添加各种金属元 素，人们生产出了满足各种用途和性能的铝合金【6 2 1 。 铝合金按生产工艺和其二元相图，可分为铸造铝合金和变形铝合金两大类 6 3 1 ，如图1 6 所示。 图1 - 6 铝合金二元相图的相区分【6 4 1 合金元素在铝中的溶解度一般随温度升高而增加，在共晶温度时达到极大 值，此时称为极限溶解度( 图1 - 6 中d 点) 。当温度降低时，固溶度逐渐减小 至室温时达到最低值( 图1 6 中s 点) 。当成分超过d 点后，合金金相组织中 就会有共晶体存在，而共晶体由固溶体和第二相组成，其中第二相大多为脆性 相的金属间化合物。由于变形铝合金要经受一系列的压力加工，需要较高的塑 性，就必须减少合金中脆性相的含量，故合金元素含量一般不超过极限固溶度 ( d 点) 【6 引。由于共晶合金的结晶温度间隔小，可保证合金具有良好的流动性、 气密性及较低的热裂倾向，从而可保证铸件的质量，所以铸造合金成分在d 点 以右。但是共晶体数量增加伴随着合金塑性和使用性能的降低，因此，工艺铸 造铝合金中也有一部分合金成分位于图中d 点以左【6 4 1 。当合金成分小于s 点时， 此时合金元素在铝中的溶解度不随温度而改变，故这类合金为非热处理强化型 合金，它们不能通过热处理提高其力学性能，只能用冷作变形强化【6 5 1 。当合金 成分在s 点和d 点之间，此时固溶体成分随温度而改变，这类合金为热处理强 化型合金。 ( 1 ) 铸造铝合金 铸造铝合金具有良好的铸造工艺性，并且铝合金熔点较低，熔炼工艺和设 备都比较简单，可进行各种成型铸造，而铝合金铸件具有比重小、比强度高、 良好的抗蚀性和热强性等优点使其在航天航空、一般机械制造、化工和仪表等 工业部门都得到了广泛应用【6 6 j 。 铸造铝合金按合金成分可以分成五大类【6 7 】： a 1 s i 系及a 1 s i m g 系合金，即著名的硅铝明。此类铝合金具有优良的 铸造性和耐磨性，热膨胀系数小，可生产形状复杂的铸件，适合在常温下使用， 是铸造铝合金中品种最多、用量最大的合金。 a 1 c u 系合金。特点是有较高的热强性和铸造性，适合在较高温度的环 境下工作。主要用于制作承受大的动、静载荷和形状不复杂的铸件。 a 1 m g 系合金。此类铝合金的特点是抗蚀性较好、强化效果佳，较多应 用于造船业、食品和化工部门等部门。 a 1 一r e ( 稀土) 系合金。拥有良好的铸造工艺性和耐热性，可在温度达 4 0 0o c 下使用，但其在室温下的强度较低，且合金成分复杂，不方便生产管理。 a 1 z n 系合金。此类铝合金的最大特点是“自行淬火 ，铸造成型后可直 接进行人工时效，使铸件的内应力大大减小。 ( 2 ) 变形铝合金 变形铝合金的分类方法有很多，以下是世界上的绝大多数国家对变形铝合 金进行分类的方法【6 2 | 。 按合金状态和热处理特点进行分类：热处理强化型铝合金和非热处理强 化型铝合金。纯铝、a 1 m n 系、a i m g 系和a 1 s i 系合金均属于非热处理强化 型铝合金，而a i m g s i 系、a 1 一c u 系和a 1 z n m g 系合金属于热处理强化型铝 合金。 按合金性能和用途可分为工业纯铝、切屑铝合金、耐热铝合金、低强度 铝合金、中强度铝合金、高强度铝合金( 硬铝) 、超高强度铝合金( 超硬铝) 、 锻造铝合金和特殊铝合金等。 按合金中所含主要合金元素可分为：1 0 0 0 系( 工业纯铝) 、2 0 0 0 系( a 1 一c u 合金) 、3 0 0 0 系( a 1 m n 合金) 、4 0 0 0 系( a 1 一s i 合金) 、5 0 0 0 系( a 1 m g 合金) 、 6 0 0 0 系( a 1 m g s i 合金) 、7 0 0 0 系( a 1 z n m g c u 合金) 、8 0 0 0 系( a i l i 合金) 和9 0 0 0 系( 备用合金组) 。 这三种分类方法各有特色，可以相互交叉、相互补充。目前大多数国家按 第三种的4 位数码进行分类，这种分类方法便于编码、记忆和计算机管理，