汽车用5182铝合金温变形行为及其拉深成形性能的研究

Z分类号……………密级……………UDC…………….编号……………中南大学CENTRALSOUTHUNIVERSITY硕士学位 论文题目 汽车用5182铝合金温变形行为 及其拉深成形性能的研究 学科、专业 材料加工 研究生姓名 导师姓名及 专业技术职务 原创性声明本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发或撰写过的研究成果，也不包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。作者签名：日期：年月日关于学位论文使用授权说明本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留学位论文，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文；学校可根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文。作者签名：导师签名：日期：年月摘要轻质材料在汽车上的应用已成为当前汽车工业研究的热点问题。5182铝合金具有优良的力学性能和成形性能，是一种能应用到汽车车身的轻质材料。本文开展了5182铝合金温变形行为及其拉深成形性能的研究，为进一步开发和优化5182铝合金车身板提供依据。通过单向温拉伸实验对5182铝合金在变形温度为50~300℃、应变速率为0.001~0.1s-1范围内的流变应力行为进行了研究，得到了合金的真应力－真应变曲线。采用改进后的Fields-Backofen方程，并拟合应变硬化指数n、应变速率敏感性指数m和材料强度系数C，建立了5182铝合金板在不同变形温度和应变速率下的本构方程。通过金相显微镜、扫描电镜以及透射电镜对温拉伸后的组织和断口进行了观察分析，揭示了温变形过程中的动态回复和动态再结晶行为。通过5182铝合金板材的温拉深成形实验，研究了其温成形性能及工艺，并分析了拉深试样的断裂行为。在变形温度为250℃，压边力为3.0N/mm2，变形速率为0.1mm/s，并采用半固体润滑剂进行拉深变形时，5182铝合金板可获得较优的拉深成形性能，拉深极限比达2.5。在拉深过程中，裂纹容易在凸缘圆角与直边所形成的过渡区域相邻的直壁上产生和扩展，最终导致板料拉裂。n值是评估5182铝合金板拉深性能的最佳参数。在相同的变形温度下，应变硬化指数n值越大，极限拉深比LDR越大；在不同的变形温度时，LDR与n值的变化规律主要取决于其塑性变形能力和应变硬化能力两方面相互作用的结果。随着变形温度的增加，n值减小，LDR值逐渐变大，达到最大值；随后n值继续减小，而LDR值则逐渐变小。关键词：5182铝合金，温变形行为，拉深成形，本构方程，微观组织，成形性能ABSTRACTLightweightmaterialsinautomotiveapplicationshavebecomeahotissueontheautoindustry.5182aluminumalloyhasbecomeoneoftheautomotivelightweightmaterialsbecauseofitsexcellentmechanicalpropertiesandformingproperties.Inthispaper，thetemperaturedeformationbehavioranddrawingperformanceof5182aluminumalloywerestudiedinordertoprovidethebasisforthefurtherdevelopmentandoptimizationof5182aluminumbodysheets.Throughthesimpletemperaturetensiletestonthe5182aluminumalloyin50~300℃temperature,0.001~0.1s-1strainratestressrange，temperaturetensiledeformationbehaviorswereexplored.Thetruestress-straincurveswereobtained.UsingtheimprovedFields-Backofenequationandfittingthevaluesofn，mandC，theconstitutiveequationof5182aluminumalloywasestablishedondifferentdeformationtemperatureandstrainrates.Throughthemicroscope，scanningelectronmicroscopyandtransmissionelectronmicroscopy，theMicrostructureandfractureafterdeformationwereobservedandanalyzed.Dynamicrecoveryandrecrystallizationintheprocessoftemperaturedeformationwerestudied.Furthermore,throughthewarmdrawingexperiments,thepaperhasresearchedthewarmformingperformanceandtechnologyof5182aluminumalloy,andanalyzeditsfracturebehaviorofthedrawingprocess.Underthetechnologicalconditionofformingtemperature250℃，blankholderforce3.0N/mm2，drawingspeed0.1mm/sandsemi-solidlubricant，5182aluminumalloycangainoptimumdrawingperformance，andthedrawinglimitratio(LDR)canreach2.5.Inthedrawingprocess，thecracksintheflangefilletwithstraightedgehaveformedandexpandedbythetransitionalregionadjacentthestraightwall，whicheventuallyledsheetfracture.Thestrainhardeningindexvalue(n)isthebestparametertoassessthedrawingperformancesofthe5182aluminumalloysheet.Inthesamedeformationtemperature，greaterthenvalueis，greaterthedrawinglimitratio(LDR)is.However,indifferentdeformationtemperature,theformingperformanceof5182aluminumalloysheetdependsmainlyontheresultoftheinteractionbetweenplasticdeformationabilityandstrainhardeningcapacity.Withtheincreaseintemperaturedeformation,nvaluesdecrease,butLDRvaluesbecomebiggergraduallyandreachthemaximum.Subsequently,nvaluescontinuetodecrease,butLDRvaluesbegintodeclinegradually.Keywords:5182aluminumalloy,warmdeformationbehavior,drawing,constitutiveequation,microstructureevolution,formingproperties1第一章文献综述11.1引言21.2汽车用铝合金板的发展及研究现状21.2.1国内外的发展概况31.2.22000系和6000系汽车用铝合金板31.2.35000系汽车用铝合金板41.2.4汽车用铝合金板存在的问题51.3汽车用铝合金板成形特性61.3.1铝合金板材成形的分类81.3.2铝合金板材的成形性能101.3.3提高铝合金板成形性的特殊成形法111.4铝合金的温拉伸变形行为121.4.1流变应力-应变曲线特征121.4.2本构方程的研究141.4.3微观组织演变161.5铝合金板材温成形工艺的研究现状161.5.1温度组合模式的影响161.5.2压边力的影响171.5.3润滑条件的影响171.5.4其他成形条件的影响181.6本课题研究的目的和意义19第二章实验过程与方法192.1实验202.2实验材料及其制备202.3温拉伸实验212.4微观组织观察212.4.1金相组织（OM）观察212.4.2拉伸断口形貌（SEM）观察212.4.3透射电镜（TEM）观察212.5温成形实验24第三章5182铝合金温拉伸变形行为的研究243.1真应力－真应变曲线263.2本构方程的建立263.2.1本构模型的选择273.2.2材料常数的计算与拟合313.2.3计算结果与实验结果比较313.3微观组织分析313.3.1金相组织343.3.2断口形貌363.3.3TEM组织393.4温变形软化机制探讨393.4.1动态回复机制403.4.2动态再结晶机制42第四章5182铝合金温拉深成形性能的研究424.1成形工艺参数对成形性能的影响424.1.1温度对成形性能的影响434.1.2压边力对成形性能的影响444.1.3拉深速度对成形性能的影响454.1.4润滑条件对成形性能的影响474.2断裂行为分析474.2.1拉深成形的断裂特征484.2.2拉裂断口形貌504.3成形性能与材料性能参数的相关性53第五章结论54参考文献59致谢60公开发表论文和获奖情况第一章文献综述1.1引言随着汽车产业在全球的迅速发展，环境污染和能源短缺两大社会问题日益突出，这就促使汽车产业不得不将持续发展的核心放在能源和环保上，同时各国政府也在要求汽车制造企业降低其产品的能耗、减少污染、提高燃料的经济性[1，2]。在当代新能源技术发展尚未成熟时，汽车轻量化无疑是改善汽车上述性能的最佳途径。有数据表明[3]：汽车自身的重量每降低100kg，油耗就可以减少0.7L/km。因此，最大限度地降低汽车自重成为当前各汽车企业开发的热点。而实现汽车轻量化的途径有[4]：小型化，发展小排量汽车；结构的合理化，汽车及零部件的优化设计；轻量化材料的应用。其中采用轻量材料是减轻汽车自重最简单有效的方法，因此，轻量化材料在汽车上的应用成为当前汽车工业研究的热点问题。近年来汽车用钢材的占有量在不断下降，铝、镁等轻合金及塑料、复合材料的应用大幅增加[1，2，5]。与钢铁材料相比，铝合金具有密度小、比强度和比刚度较高、弹性好、抗冲击性能好和相当高的再回收率、再生率等一系列优良特征，因此受到人们的普遍关注。用铝合金材料作为汽车车身内外板代替传统碳钢板，可使车身减重大约47%，降低油耗达28.2%。而且承力相同时，铝合金比钢轻60%；承受同样的冲击，铝板比钢板多吸收50%的冲击能，更具安全性[6]。镁合金的密度仅为铝的2/3，意大利Fiat公司也成功开发镁合金使汽车部件减重25％[7]，但考虑到镁合金存在易腐蚀、强度相对较低、高温蠕变抗力较差及价格等综合因素，铝合金无疑是现代汽车工业中最具竞争力的轻质材料。据欧洲铝业协会预测[8]：在今后5年内平均汽车耗铝量将达150kg/辆，2010年世界汽车年耗铝量将达1000万吨。美国资深汽车工程师DavidScholes[9]也预言：未来轿车上的每一个零件都可用铝合金来生产，10~15年后会有越来越多的铝合金用于汽车，而且铝合金制品完全可能比塑料还轻。Rolls-Royce[10]推出的一款轿车，其车身框架全部是用铝合金制成，是迄今为止在轿车上使用的最大的铝合金整体结构。虽然目前铝合金的成本仍比钢铁材料贵，但随电力工业和冶炼技术的发展，必然带来其产量巨增而成本下降，同时从汽车工业的可持续发展来看，铝合金大规模的进入汽车工业领域已为时不远，21世纪必将是汽车铝化的时代。汽车工业作为我国国民经济的支柱产业之一，未来五年对铝合金材料的需求量将达32~40万吨[3，7]，汽车工业将成为我国铝合金材料的重要消费市场之一。我国铝资源丰富，应用铝及铝合金无疑是汽车产业蓬勃发展的重要保证，因此研究和开发汽车用铝合金具有重要的意义。1.2汽车用铝合金板的发展及研究现状1.2.1国内外的发展概况汽车车身是汽车中用材量和质量最大的部件，约占汽车总重量的30％[2]，所以汽车车身的轻量化对于减轻汽车自重具有重要的意义。在汽车车身铝合金板的研究和应用方面，美国、日本和德国等汽车工业强国一直走在世界的前列。早在20世纪初期，美国就将铝合金板用到汽车车身上，如福特公司生产的“黑貂”汽车；日本汽车使用铝合金板起源于1985年马自达产的RX-7汽车的顶盖，接着1990年推出的AcuraNSX型全铝运动车[1，11]。近年来，日本国内也开始在一些批量生产的汽车上采用铝合金板，如日产汽车公司生产的Sedrick车等，其使用部位主要是顶盖。日产Seama车的行车箱盖、丰田Alttzewafon车的后门也采用铝合金板，并且轻型汽车也开始采用铝合金板[12]。德国奥迪公司面向欧洲市场投放的A8型铝制汽车，自重减轻46.8%，结构件的刚性/质量比提高14%[12]。可见汽车用铝合金板的研究具有十分重要的地位。目前汽车工业的先进技术均掌握在发达国家和跨国公司手中，由于相关的工业设计、材料标准、关键专利技术等都受到严格的知识产权保护，从而严重制约了我国汽车工业的发展。第一汽车集团公司与美国福特公司联合设计的高级红旗轿车，原设计为铝制发动机盖板，但由于国内尚未生产轿车外车身用铝合金板材，不得不用钢板制造[3]。除此之外，奥迪A6型和A9型等轿车也存在此类问题[11，12]。因此铝合金板材在国产汽车上的应用具有非常大的潜力，同时开发高质量汽车用铝合金材料及其成形工艺也是大势所趋。近年来，国内关于铝合金车身板的研究开展过一些工作，如中南大学的汪明朴[6]等人在6010合金中加入一定量的富Ce混合稀土，研究了该合金的时效特性，发现添加稀土的6010铝合金车身板材成形性能和力学性能优于6010板材；郑州大学的关绍康[13]等人对6000系车身板铝合金时效析出方面也做了一些研究，但这些研究均未形成系统化。此外，我国的铝加工厂生产车身板的经验少，东北轻合金加工厂曾试产过轿车车门用5000系铝合金板，但其强度和抗凹陷性不能满足车身板的要求。同时受轧机辊身长度的限制，其板材宽度最大为1600mm，难以满足制造轿车车身冲压件广泛需求的宽度大于1800mm的板材[14]。西南铝加工厂现有一条1+1铝板带热粗精轧生产线，工作辊宽度为2800mm，并具有良好的高精深冲板材的生产条件，有能力生产幅宽大于1800mm的铝合金车身板[3]。特别是1+4热连轧的升级改造，使其铝加工热轧设备达到世界先进水平，为我国车身用铝合金板的发展创造条件。虽然我国汽车车身铝合金板的应用基本属空白，但应加快研究步伐，尽早开发出具有我国独立知识产权的新型汽车车身铝合金板。1.2.22000系和6000系汽车用铝合金板2000系和6000系铝合金均属于热处理可强化的合金，都具有较高的强度和一定的冲压成形性能，还具有高的焊接性能、抗腐蚀性能，可以在涂漆后的烘烤期间发生沉淀硬化作用[6]。2000系合金主要以Cu和Mg为合金元素，其强化相为CuAl2或CuMgA12。该系合金拥有良好的锻造性、较高的强度和一定的烤漆硬化性[6，13]。不过2000系铝合金的抗蚀性比其他工业铝合金差。在北美，AA2036和AA2008被认为是2000系铝合金中较为适用于车身板的合金[6，15]。AA2036合金是以CuAl2为强化相的合金，具有良好的成形性而用于汽车外板，如车盖、底板盖，司机室等，取代钢板时，可使外壁减轻55~60%[6]。但这种材料在低温人工时效时表现为强度下降，烤漆时要获得足够的强度，则需要较高的温度和较长的时间。然而，未来的烤漆温度很可能会因为新改进的环保型漆在汽车行业的应用而进一步降低，这样就限制了其在烤漆过程中获得强化。而AA2008合金为CuMgAl2作强化相的合金，具有较好的成形性，而且在烤漆过程中不会表现出性能的降低[15]。但这种材料由于强化相形核困难，时效硬化速度慢，烤漆硬化能力较低，因而其应用被限制于车身内板[16]。6000系合金主要以Mg和Si为合金元素，该系合金强度适中，成形性和耐蚀性好，易着色，综合性能优良。通过涂装烘干(170~200℃/20~30min)工序后强度得到提高，所以可以用于外板等要求强度和刚性均较高的部位[6，15]。欧美国家主要是以6000系合金为基础开发铝合金车身板，如车盖、后行李箱盖以及车门等车身构件。美国70年代研制了AA6009和AA6010两种汽车用铝合金板，其具有相近的力学性能，且T4状态下的屈服强度较低，约为180MPa，但塑性较好，成形后喷漆烘烤过程中可实现人工时效，获得较高的强度，且不出现吕德斯线。这两个合金既可以单独用来做内外层壁板，也可用AA6009合金制造内层壁板，而用AA6010合金制造外层壁板，两个合金的废料不需分离，可以混合回收后自身使用或做铸件的原料[6]。后来，美国相继开发了AA6022和AA6111合金，AA6022合金的抗蚀性好，其6022-T4E29（为Alcoa内部热处理）已专利化，并投入工业化生产。而AA6111在T4状态下的强度为150~170MPa，烤漆后的强度超过200MPa[1]，这为制造车身板提供了良好的初始成形性和最终的使用性能。1.2.35000系汽车用铝合金板在日本，由于要求汽车用铝合金板的成形性与钢材相近，因此主要以5000系为基础开发轿车车身用铝合金板材[14，17]。5000系合金属于Al-Mg系合金，Mg是主要的合金元素，固溶于铝基体中，是一种热处理不可强化合金，其强度、成形性和抗腐蚀性等方面具有传统碳钢板的优点[16]。5000系合金存在两个缺点[14]：吕德斯线和吕德斯延迟。吕德斯线是产品表面出现一系列新台阶或锯齿状变形带。如果晶粒尺寸过大，且在变形时进一步发展，便会出现“桔皮”现象，造成不雅外观。一般来说，晶粒尺寸为25μm时，基本上可以避免板材对吕德斯线的敏感性；晶粒尺寸超过45μm时，板材将出现明显的吕德斯线，因早期的缩颈变形引起成形性下降。而一旦晶粒尺寸在100μm以上，吕德斯线和桔皮效应将导致板材表面起皱，使板材的表面质量变坏[14，17]。吕德斯延迟是指材料最初屈服时的变形不均匀，应变增加而屈服应力并不增加[16]。这主要是由于Mg溶质气团的位错源释放，导致合金在显著的应变强化之前出现很大的形变量。这种现象会造成用烤漆涂层难以掩饰的令人讨厌的外观。吕德斯延迟随晶粒尺寸的减小而增加，而且大都发生在含Mg量大于2%（质量分数）的Mg合金中。但含Mg量低于3%（质量分数）时，又会影响合金的加工硬化速度，使其强度不足[14]。于是对于5000系合金，必须控制Mg含量及晶粒尺寸以获得强度和表面质量的最佳组合。此外，5000系合金的延展性和弯曲能力，随含Fe量的增加急剧下降，且烤漆过程中常伴有软化现象[14-18]。由于退火态的5000系合金在加工变形时可能产生吕德斯线和延迟屈服，因此主要用于车身内板等形状复杂的部位。在5000系合金中，Mg含量较低的5052、5754、5A02、5A03等铝合金退火状态板材都具有较好的拉深成形性能[19]；但5A06等高Mg铝合金采用传统拉深成形比较困难，而采用充液拉深等成形技术则可显著提高5A06合金的成形极限，为其在复杂零件上的应用创造条件[18，19]。目前，最具有代表性的是日本开发的5182-O和5182-SSF合金板，其特别适合于要求用延展方法成形的零部件，如车盖、后行李箱盖、负载底板和空气过滤器等[17]。而美国ALCOA公司开发的X5085-O、5182-O以及HANV金属公司开发的HANV5182-O等材料已用于汽车车身内板[1，19]。1.2.4汽车用铝合金板存在的问题在汽车车身上使用铝合金板材，对板材内部、表面质量和尺寸偏差要求都很严格，材料必须具备强度高、成形性能好、耐腐蚀性能优良、表面光洁、在冷加工成形过程中不出现吕德斯线以及点焊性能好等特点。表1-1列出了2000系、5000系和6000系中常用的合金与冷轧钢板的力学性能和成形性能特征[2，6]。其中钢的总延伸率δ最大，表明钢在拉伸过程中变形最大。6000系合金的均匀伸长率δ最大，说明6000系板材的极限变形程度最大。5000系合金的应变强化指数n值最大，说明板材受力变形时，应变强化会增加合金抵抗进一步变形的能力，故可使局部变形转移到邻近区域，延缓缩颈的到来，从而使较大的板面具有更均匀的应变[11-13]。钢的塑性应变比r值最大，r值越大，板材抵抗失稳变薄的能力越大，越能发挥拉伸失稳前的最大强度[18]。此外，钢的埃里可森值最大。这些数据表明，与钢板相比，用铝合金板材制造轿车发动机罩、行李箱盖、翼子板及车门等构件仍存在冲压成形性和抗凹陷性低等缺点。5000系铝合金的强度基本能满足汽车车身内板的要求，成形性能也是三种系列铝合金中表现最好的，但与钢相比还存在一定的距离，从而限制了其在汽车上的推广，因此提高5000系铝合金的成形性能是当前研究的一个重要的方向。表1-1汽车用铝合金板的力学性能和成形特性[2] 材质 σb(MPa) σ0.2(MPa) δ(%) 完全伸长率（％） 均匀伸长率（％） n值 r值 埃里克森值（mm） 表面拉伸伤痕 2002-T4 330 180 26 26 20 0.25 0.63 9.6 无 2008-T4 245 125 28 2117-T4 275 180 25 25 20 0.25 0.59 8.8 无 2036-T4 340 195 24 24 20 0.23 0.75 9.1 无 2038-T4 325 170 25 25 － 0.26 0.75 － － 5182-O 275 130 26 26 19 0.33 0.80 9.9 有 5182-SSF 270 125 24 X5182-O 295 145 30 30 20 0.30 0.66 － 有 6009-T4 230 125 25 25 20 0.23 0.70 9.7 无 6010-T4 290 120 24 24 19 0.22 0.70 9.1 无 6111-T4 290 160 27.5 27.5 － － － 8.4 无 6016-T4 235 125 28.1 28.1 24.6 0.26 0.7 － 无 冷轧钢板 315 175 42 42 20 0.23 1.39 11.9 无1.3汽车用铝合金板成形特性由于汽车朝轻量化方向发展的主要潜力在车身，因此探索采用铝合金材料制造下一代汽车车身，以理论研究、仿真计算、实验研究和工业验证相结合的方法，系统地研究轻质车身冲压成形工艺，开发出高性能、低成本的轻质汽车车身，已成为各国汽车行业的研究热点。铝合金零件在民用及国防中拥有广泛的应用，但是，将铝合金板材冲压成形零件却受到了一定的限制，原因是铝合金板材成形范围窄，冲压成形中撕裂严重并且易于起皱和回弹[20，21]。近年来，对铝合金冲压成形的研究主要集中在怎样提高铝合金板材冲压成形性能。F.Vollersen[22]等提出了局部热处理的思想，对板料的不同区域进行不同的热处理，从而使板料的不同区域表现出不同的性能，在板材的塑性变形区通过将铝合金中的强化相重溶入基体从而减少局部的流动应力，这种方法可以提高铝合金的拉伸成形性能。A.Hofmann[22]提出利用激光对板料进行预先热处理的方法改变材料局部的流动特性，降低流动应力，从而提高拉深比。但是，对于形状复杂的零件，要确定板料的各区的变形性质，然后分别进行不同的热处理并不容易实现。由于铝合金的韧性比一般的深拉伸钢板差，使得成形困难。为了降低拉深力以及增加传力区的力，P.Groche[23]等提出了一些新的工艺措施：采用液体拉深，温拉深成形，加热板料的法兰部分，给零件加反向的压力，采用液体冷却冲头，这些工艺措施对于铝合金板材的冲压成形性能的改善很有意义。液体拉深时板料与凹模圆角之间可以不直接接触，使得拉深力降低。温拉深成形是使板料在加热到一定的温度进行拉深，一般而言，铝合金在较高温度时的塑性有所提高，有利于冲压成形。加热板料的法兰部分可以使得变形区的流动应力下降，变形容易，减少传力区破裂的危险。液体拉深时给拉深件加反向的压力可以使铝合金零件紧贴冲头，减少其起皱和破裂的危险。采用液体冷却冲头可以使已成形部分的温度降低，强度增加，不容易产生塑性变形，使变形区集中在高温的法兰区部分。对于温拉深成形的铝合金零件来说，控制成形速度应该有利于冲压成形。变压边力和拉延筋设置都是为了控制材料的流动，但区别在于拉延筋更适合于较为复杂零件的材料流动的控制，而变压边力可以控制起皱且易于实现。K.Sieger等[24]研究了超声波在板料成形中的应用，研究表明：当超声波的频率在20~22KHz范围时，凹模平行于拉深方向做纵向振动，有可能降低摩擦力，超声波的振幅及频率影响摩擦力的大小，将这种工艺应用于铝合金的冲压成形可以提高成形性能。陆辛等人[25]采用电液成形的方法成形铝合金LY12零件，研究了各种工艺参数与铝合金电液成形性能的相互关系，指出：冲击波在零件上作功的大小与零件的形状及吊高（零件至电极的距离）等有关，要提高效率就必须合理布置回路元件的结构、接线方式及参数配合，并且要缩短延时。铝合金的超塑成形(SPF)和铝合金的超塑成形/扩散连接(SPF/DB)技术是一种利用铝合金的超塑性，采用吹胀或精密模锻成形大型薄壁零件的加工方法[25]，该方法己应用于航天航空上大型复杂钣金零件的成形。1.3.1铝合金板材成形的分类1.3.1.1深冲成形深冲成形的特点是凸缘圆周方向上是压缩变形[26，27]。模面上的材料一边承受凸缘的压缩变形，一边向模面移动，在R处受到弯曲扭转后流入模腔。因此，深冲成形中板材的径向变形为拉伸变形，圆周方向的变形为压缩变形。但从模面流入模腔内的材料与其说由径向拉伸力产生的拉伸变形，还不如说由圆周方向压缩变形引起的拉伸变形，故深冲成形中侧壁要增厚。另一方面，担负成形负载（冲头负载）的冲头R处的材料受到近似圆周方向变形的零平面变形的拉伸，使板厚减少。在实际中通常采用拉深试验来模拟深冲成形过程，即采用具有一定尺寸级差的试件在规定尺寸的平底拉深模具上成形，找出临界极限拉深毛坯直径DOM，进而求出极限拉深系数Mcr和极限拉深比LDR值。1.3.1.2鼓凸成形鼓凸成形是不许模面上的材料流入模腔，通过对模腔内的材料拉伸及拉伸变形形成所需形状的成形，在材料表面积增加的地方（鼓凸处）减少了板厚，在实际形成过程中，还是有周围的材料流入模腔[27]。最常用的试验方法是纯拉胀试验，即把规定宽度的板材放在凹模(洞口带阻力梗)与压边圈之间，用规定尺寸的球形凸模在试件上胀形，试件底部濒于破裂的胀形高度（也就是凸模行程）为板料的试验指数。在记录中，如收缩量大于0.5mm，该试验值无效。1.3.1.3拉伸凸缘成形拉伸凸缘成形是把材料的凸缘通过拉伸来成形的[27]，典型例子是扩孔。在拉伸凸缘成形中，凸缘承受单轴拉伸相似的拉伸－压缩变形。扩孔试验是将试件底孔套在凸模定位销上，试件外缘部分夹持在压力圈与凹模之间，当凸模不断将试件压入凹模时，试件孔不断扩大。在试件孔缘或孔缘附近刚刚出现裂纹或细颈时，停止试验，此时孔径与原始孔径之比，即为扩孔比。1.3.1.4弯曲成形弯曲成形的特点是变形量分布在板厚断面内，弯曲的外侧表现为拉伸变形，内侧则为压缩变形[27]。一般采用90°弯曲试验，即用一系列具有不同圆角R的凸模将长方形试样毛坯完成具有90°弯曲的试样。以20倍工具显微镜检查时，从中找出在弯曲区未发现裂纹或显著凹陷的最小相对弯曲半径值。1.3.2铝合金板材的成形性能众所周知，汽车车身覆盖件都是通过板料冲压成形的，因此板料的成形性能既与变形工艺有关，又与材料各项指标有关。在工艺条件相对稳定的情况下，成形在较大程度上就取决于材料的性能。所以，在研究覆盖件用板材成形性能指标非常重要。成形性主要包括断裂韧性、制品成形的尺寸精度及表面形状精度等三个方面[21，26]。断裂韧性主要指单轴拉伸变形成形、鼓凸成形、弯曲性及扩孔性，尺寸精度是指形状的冻结（回弹），表面形状精度是指制品变形的情况。（1）板材延伸率δ延伸率δ是薄板塑性的反映，高的延伸率对零件的单向拉伸变形是有利的。一般而言，高的延伸率是满足零件顺利成形的重要保证，但在双向拉应力下板材的塑性变形能力不能简单地用δ来表示，而应该用成形极限图(FLD)来表示。铝合金通过调整合金成份及时效工艺，抗拉强度可以达到700MPa。在冲压成形中要求伸长率和鼓凸性时可选用热处理不可强化合金的T4材。对热处理可强化合金的O材，为了提高其强度，在冲压成形后还要进行淬火。一般而言，软钢的抗拉强度为300MPa，伸长率则达到42%，同样强度的铝合金的伸长率只有25%，为软钢的60%。日本早期开发的汽车用铝合金板为GZ30-30，即抗拉强度为300MPa，伸长率为30%，比一般合金的伸长率高[28，29]。（2）应变硬化指数n，塑性应变比r，极限拉深比LDR硬化指数n和塑性应变比r值都是拉伸变形时重要的材料性能参数，都与成形加工极限之间有密切的关系[30]。板材n值越大说明材料在塑性变形时的变形分布均匀性越好，不容易产生集中变形，也就相对地不容易产生塑性破裂。对于深拉延成形件，局部有突起或拉延筋，高n值是有利的。而对于浅拉延成形件，高的n值可以使整个变形趋于均匀化。较高的塑性应变比r值对深拉延成形有利[20，30]。极限拉深比LDR是表征深冲性能的重要指标之一[26]。一般认为LDR与r值有着较为密切的对应关系，与n值也有一定关系。铝合金的O材及T4材的n值一般为0.15~0.35，与软钢大致接近，而r值为0.5~0.9，比钢小。铝合金的LDR范围一般为1.8~2.2，在某些状态下可以达到软钢的水平[2，15]。对于合金及热处理状态相同的铝合金，其LDR与r值有关。对传统汽车用钢板来说，硬化指数n值越大，胀形性能越好；各向异性系数r值越大，拉深性能越好，而铝合金与钢在变形性能上有很大差异，铝合金成形时，很多情况下是不能套用钢的变形规律[30]。（3）鼓凸性鼓凸性是指鼓凸试验板材断裂时的鼓凸高度H或鼓凸系数ω2（ω＝H/a，a为模具半径）[27]，通常用埃里克森值表示。对于热处理不可强化合金，O材的埃里克森值最大，但经过较大的冷加工变形后，埃里克森值变小。其原因是由于加工硬化导致伸长率下降引起的。当板厚、防皱压力及润滑条件的不同时，埃里克森值会发生变化。（4）弯曲性材料在弯曲变形过程中，弯曲处的外面受到拉伸变形，里面受到压缩变形。材料厚度相同时弯曲角度越大的或弯曲角度相同时板厚大的，弯曲处外面的拉伸变形就越大，此处会产生板厚减薄（缩颈）或龟裂等弯曲缺陷。不产生这种缺陷得到的弯曲极限叫弯曲加工极限或最小曲率半径[27]。最小曲率半径与板厚t有关。低强度的退火态铝合金与软钢板一样，能进行180°的弯曲。0.8~1.2mm板厚的5182铝合金进行90°弯曲时的最小曲率半径为0.5t，而180°弯曲时为0.5~1.0t。汽车车身用6009和6010铝合金板T4态在180°弯曲时的最小曲率半径分别为0.5t和1.0t[6，15]。（5）扩孔性在汽车车身板冲压板料时，拉伸凸缘变形的扩孔性也是重要特征。铝合金板的扩孔极限（极限扩孔率）与材料本身的伸长率有关。汽车车身用铝合金板的扩孔极限约为40%，比钢低[27]。（6）形状冻结性形状冻结性是指撤去冲压负荷和模具后保持冲压品形状尺寸精度的性能，即发生弹性的回复现象[27]，典型例子是反向回弹，即在卸去负载及屈服弯曲扭矩时的材料弹性恢复原始状态的现象。反向回弹量与材料的屈服强度、曲率半径R与板厚t的比值有关，屈服强度高、弹性系数小、变形量大、R/t值大时回弹量都会变大。铝合金板的弹性系数是钢板的1/3，故反向回弹量大[27]。为了防止反向回弹，必须降低材料的屈服强度及R/t值，或者通过附加张力来降低该值。（7）表面变形表面变形是指产品形状剧烈变化处的周围发生凹凸落差为20~200μm的变形。而一般把凹凸落差超过0.2mm的表面变形叫压皱[27]。引起以上变形的原因是弹塑性变形不均匀，使过剩的材料不均匀的流入型腔而造成表面质量变差。防止表面变形和压皱的方法很多，可以从材料的屈服强度、弹性系统、n值、r值等方面考虑，也可以从制品形状、工艺、模具设计及冲压技术考虑。（8）表面性能板材的表面粗糙度对覆盖件的成形性能有着较为复杂的影响。在一定条件下，增大板材表面粗糙度是有益的，因为它提高了润滑剂的滞留性。但当润滑剂是固体润滑剂时，则希望板材的粗糙度较小。因为过大的板材表面粗糙度会因模具压平不足而影响产品的表面光洁。另外，由于粗糙的板材经拉延和涂漆后，产品的外观仍然很差，而其过厚的流体润滑膜容易造成失稳，不能有效阻止压边区的起皱，反而增加了拉深力。1.3.3提高铝合金板成形性的特殊成形法1.3.3.1对置液压成形对置液压成形是在模腔内充满液体的状态下把材料置于模面上，加上防皱压力后使冲头前进，材料被压入充满液体的模腔内[23]，是一种可以提高极限深冲比的深冲成形方法，如图1-1所示。在对置液压成形过程中，侧壁与冲头之间产生的摩擦力有部分成为成形负载，减轻了成形制品冲头部位所受的力，从而控制冲头部位的裂纹。铝合金板常规冲压时极限拉深比只有1.8左右，用该法冲压可达2.3，超过软钢常规法冲压时的2.2[21]。目前板材液压成形主要应用于汽车覆盖件的生产，该方法已经在德国、日本成功的生产出了汽车车蓬外板、前挡泥板。1.3.3.2控制压边力成形压边力是板材成形中重要控制手段。韩丹莹等[27]通过采用多级压边力方法，在成形初期和中期允许法兰轻微起皱前提下使用低的防皱压力，在成形后期使用高的压边力从而消除这种轻微的起皱，达到提高筒形件的成形极限的目的。图1-1对置液压成形法[2]图1-2防皱压力控制效果[21]常规的压边方式是采用刚性压边圈，压边力均匀分布在压边圈上。对于表面形状复杂的拉深成形件来说，拉深过程中金属材料的流动在各个部分是不均匀的，如果都采用恒定的均匀压边力，可能导致在同一零件上同时出现起皱和拉裂的现象。弹性结构的压边装置可以比较好的解决这个问题。对6111-T4铝合金板进行以阶梯盒形件为研究对象的深冲实验[28]，用多点压边力控制系统对恒压边力和变压边力方案的效果进行比较，发现变压边力方案下的工件基本消除了恒压边力方案中出现的起皱和破裂，得到很好的效果。1.3.3.3温成形所谓的温成形主要是针对在常温下加工的方法而言，是一种把材料加热到回复或再结晶发生的温度以下而进行成形的加工工艺[27，29]。对板料和模具的加热方式主要是通过板料的预热和在模具内加入发热元件和温控元件，从而达到对温度实行准确的控制。早在1946年，Finch等人[24]就对退火态铝合金板进行了在升温条件下方杯和圆杯的拉深成形实验，发现对高强度铝合金使用适当升温的方法成形，效果比先使该合金在退火态成形随后再进行热处理的方式好，这也引起了研究者们随后对铝合金板材温成形性能研究的兴趣。如5754-O铝合金板材分别在室温、100℃、175℃和250℃在进行带锥的盒形件拉深试验，最大拉深深度分别可达35mm、38mm、45mm和60mm，成形性能大幅提高[27]。近年来DaomingLi[28]对5754、5182+Mn、6111-T4铝合金板材做了大量的实验。实验内容包括热拉伸实验，凸模、凹模在不同温度组合下的杯形拉深实验以及胀形实验等，比较了应变强化铝合金和析出强化铝合金的成形性能，并得出了优化的成形温度，凸模、凹模在成形过程中优化的温度组合以及各种优化的加工条件等。温成形工艺已使用在制造业上，美国通用公司生产V-6油箱内板就是采用了该成形工艺[27]。1.3.3.4超塑性成形超塑性成形是指板材在特定的温度和变形速度下产生超塑性后进行成形的工艺[27]。超塑性成形法可分为：阳模成形法和阴模成形法。前者适用于大型的浅成形件，后者适用于深成形件和复杂的成形件。超塑性成形法具有能进行常规冲压不能实现的复杂件整体成形，以及对金属模强度要求低等优点。铝合金的超塑性温度范围为400~500℃，比温成形的温度高。周义等人[25]用铝合金5182以超塑性成形方式做汽车前挡泥板成形实验，在把成形温度控制在450~500℃、最大胀形压力达到0.42MPa的条件下，实验取得成功，整个成形时间范围为30~60min。由于超塑性现象只在低变形速度下出现，成形时间比温成形的长，因此不能面向大批量的生产，只适合于多品种小批量的生产。高应变速率超塑性材料的开发及其成形技术的开发对推广超塑性成形工艺有着积极的意义。1.4铝合金的温拉伸变形行为在塑性变形过程中，材料的流变应力值决定了塑性加工时所需施加的载荷大小和所需消耗能量多少，是选择设备和进行工模具设计的依据。在现代塑性加工力学中，精确的流变应力值或表达式是提高理论计算精度的关键，而建立材料在塑性变形时的流变应力数学模型，具有重要的学术意义和工程价值[31]。温热变形作为一种能有效改变材料性能的变形方式，其流变应力是变形体内部显微组织演变的综合反映，是表征金属塑性成形性能的一个最基本量，它受到合金成分、变形温度、变形程度以及应变速率的影响[31，32]。因此在开发温热成形工艺以及在金属塑性变形理论的研究方面，流变应力都具有极其重要的作用。1.4.1流变应力-应变曲线特征研究合金在不同变形条件下的单向拉伸行为对于铝合金塑性成形技术的发展和应用具有重要作用，能为其塑性成形过程的控制与预测提供依据。对于不同软化机制，其流变应力-应变曲线的特征是不同的。（1）动态回复。流变应力曲线分为三个阶段[33]：显微应变阶段、屈服变形阶段和稳态流变阶段，其中前两个阶段又称过渡变形阶段，如图1-3（a）所示。第一阶段为微变形阶段，此时材料中的应变速度从零增加到试验所要求的应变速度，加工硬化率非常高，即应力-应变曲线近似直线。当应力达到屈服应力之后，变形进入屈服变形阶段，此时材料开始发生动态回复引起软化，加工硬化率逐渐降低，但软化作用仍小于硬化作用。最后进入稳态变形阶段，此时，加工硬化被动态回复所引起的软化所抵消，达到动态平衡，因此最后一段曲线接近于水平线。（2）动态再结晶。在大应变速度条件下，流变应力先增加到最大值，然后减小到介于峰值应力和屈服应力间的某一值，并保持基本恒定。较低应变速度变形时，动态再结晶引起的软化与已再结晶晶粒的变形和重新硬化交替进行，流变曲线出现周期性类型锯齿流变特征。随应变量的增大，材料中发生再结晶的体积分数增大，软化和硬化间交互作用变得越来越不明显，流变曲线趋于平衡，如图1-3（b）所示。图1-3热加工条件下的典型流变曲线(a)动态回复(b)动态再结晶[33]1.4.2本构方程的研究在研究材料变形行为时，研究者们常常利用数学的方式对材料变形过程中的流变应力进行描述，这一数学模型就是本构方程[34，35]。材料的本构方程是在一定的微观组织下，材料的流变应力对由温度、应变、应变速率等热力学参数所构成的热力学状态所作出的反映，这种规律实质上是由材料力学状态所决定的，会因材料及其状态而异的，因此对于不同材料和材料状态，其本构方程是不相同的。塑性变形流变应力是材料结构因素和热力学状态因素的综合体现，因此在研究本构关系时都要研究影响材料流变应力的因素。一般而言，影响本构关系的基本因素有两类[34]，一类是从宏观方面如实验温度T，变形速率，变形量等；另一类是微观方面的，如：晶粒大小，点阵类型以及金属种类，溶质原子的种类、性质和分布，原始位错分布和种类等。这两类影响因素的关系是宏观与微观的关系，宏观参数是微观结构的体现，宏观参数的变化也会影响到微观结构变化。本构关系主要分两类[34，36]：第一类模型直接描述变形条件（如温度、应变速率等）对流变应力的影响；第二类模型描述材料结构的变化对流变应力的影响。第一类模型中，在变形引起的热效应可以忽略的低应变速率条件下，模拟计算或设计金属加工工艺时最常用到的有[36]：Hollomon方程：（1-1）Lixdwik方程：（1-2）Swift方程：（1-3）Voce方程：（1-4）以上方程的形式都比较简单，能比较准确地描述如钢、铜、铝合金等特定材料的流变应力。其中前三个方程仅仅局限在达到最大应力前的应变段，而后一个方程则可以表达更高应变段时的流变应力情况。第一类模型中，把应变速率的影响加以考虑的方程有[36]：Fields-Backofen方程：（1-5）Grosman方程：（1-6）如果再把温度因素考虑到模型里面，则有：（1-7）（1-8）（1-9）上述方程中代表应力，代表屈服点，代表饱和应力，n、n1是材料应变硬化指数，m是材料应变速率敏感性指数，C、a1、b、b2均为材料系数。在一般的温热变形中，应变通常比较大，因此应变对流变应力的影响效果可以忽略，针对这种情况Zener和Hollomon提出了一种模型[36]：（1-10）也可以写成：（1-11）第二类模型描述的流变应力行为主要由材料的结构决定。在此情况下，材料的行为可分解为两个组成部分，即变形过程引起的材料内部状态的变化以及材料处于特定状态中对变形条件改变时的响应。这类模型通过一定变量来描述材料内部结构的变化，从而可以用于描述材料在变形过程中的瞬时状态。典型有[47]：（1-12）该模型是在方程中引入内部变量s，用于描述材料在常应变速率条件下的瞬时硬化行为。第二类模型的内部变量还包括晶粒尺寸、位错密度、位错数量等。以上两类材料的模型形式从简单到复杂，都有着各自的适用范围。在选择模型时候，既要考虑到模型的适用范围是否与研究的实际情况相符合，保证计算的准确性；也要尽量选择简便的模型，方便进行数据处理。1.4.3微观组织演变1.4.3.1动态回复材料变形时动态回复所造成的软化主要由位错的相互消毁和重排提供的。通常，塑性变形过程中位错的产生、滑移和相互消毁可用割阶化螺型位错理论和回复蠕变理论等。动态回复机制主要包括：（1）刃型位错攀移；（2）滑动螺型位错上刃型割阶的非守恒运动；（3）被点缺陷钉扎的位错的脱钉及三维位错网络的脱缠；（4）螺型位错的交滑移等。位错攀移是动态回复的主要机制，包括刃型位错的攀移和螺位错中刃型割阶的攀移。通过攀移可以促使异号位错相消，使位错密度大致恒定。因此，动态回复过程是扩散控制的位错攀移过程，层错能的高低是决定动态回复进行充分与否的关键因素。经典的攀移理论认为[37]，刃型位错的攀移速度与在攀移位错附近区域内应力作用下产生位错的几何条件密切相关。蠕变变形受空位运动和刃型位错的攀移速度控制，与自扩散过程有关，变形激活能与材料的自扩散激活能相近。螺型位错的交滑移也是动态回复机制之一。Sheyby等人[37]研究高纯铝的蠕变变形后发现，蠕变变形激活能随温度的升高而增加，在77K~880K温度范围内存在两个平台，两个平台表明每个平台只有一种机制控制变形。550K~880K范围内，激活能与温度无关，其大小为148.5KJ/mol，与纯铝的自扩散激活能相近，表明此时变形主要受位错的攀移控制。在250K~375K范围内，蠕变激活能为115.1KJ/mol，螺型位错的交滑移成为主要热激活速度控制机制，两平台之间激活能缓慢增加，说明此时两种速度控制机制同时发生作用。1.4.3.2动态再结晶温热变形中动态再结晶的发生需要一定大小的驱动力，由于变形过程中的动态回复随时在进行，储能随时在释放，不容易积累到再结晶所要求的水平，所以往往要在比静态再结晶临界形变量高得多的形变量下，才能发生动态再结晶。发生动态再结晶对应的临界应变量随流变应力的增大而增大，随晶界可动性的增加而减小，它还随杂质含量、溶质原子浓度及沉淀相的增加而增加。动态再结晶与动态回复不同，Luton和Sellars[32]研究了Ni和Ni-Fe合金的动态再结晶行为，发现发生动态再结晶时存在一临界变形量，相应地存在临界位错密度，超过临界应变量后发生大量再结晶所需的时间由此时对应的应变量决定。当时，每一周期内材料可完成一次动态再结晶，此时和峰值应变量相近，流变曲线呈现周期性锯齿型特征，发生不连续动态再结晶；时，前一轮动态再结晶结束前，后一轮动态再结晶就已经开始，此时比要小一些，流变曲线出现峰值后降低并趋于平稳。在变形过程中，随应变速度降低和温度的升高，发生不连续动态再结晶的可能性增大，峰值应力和稳态应力之间的差值减小，达到峰值应力所需的应变量也减小；应变速度升高或晶界的迁移降低时则出现连续动态再结晶。这两种形式都属于晶粒范围内的动态再结晶，其形核过程的实质是原始晶粒在稳态变形时所形成的小角度亚晶界不断吸收滑动位错或与其它亚晶合并，逐渐增大两侧亚晶粒间的取向差，并最终形成迁移率较大的大角度晶界。动态再结晶过程会受晶界迁移难易的影响。凡是阻止晶界迁移的因素都会提高稳态的流变应力。若材料是固溶体合金或含有杂质，则溶质原子虽能减小金属的回复能力而增加动态再结晶的倾向，但往往严重地阻碍晶界迁移，降低晶界可动性，减慢动态再结晶的速度。若材料是弥散型合金或含有夹杂物，那么细小分散的第二相能稳定基体中的亚组织和阻止晶界移动，遏止动态再结晶的进行。动态再结晶的组织形态具有如下特征[32]：（1）再结晶晶粒中出现位错缠结构成的亚结构，使再结晶区与未再结晶区的储能差别减小。特别在变形程度较大时，这种影响更为显著。（2）随应变量的提高，再结晶晶粒中心的位错密度积累到足够发生另一轮再结晶时，新的一轮再结晶便又开始，而再结晶晶核只能发生有限长大，晶粒始终保持微细状态，与静态再结晶相比，要细小得多。（3）提高温度和降低应变速度，会形成比较大而完整的晶粒，反之，降低温度和提高应变速度，则得到比较细小、位错密度较高的晶粒。铝及铝合金属于高层错能金属，在变形过程中易通过位错的攀移与交滑移产生充分的动态回复，导致剩余的形变储能不足以引发动态再结晶。因此通常认为铝合金只能产生动态回复，但是当温度达到一定程度时也可能发生动态再结晶。对于5000系铝合金，由于存在一定量的Mg，层错能大大降低。因此，5000系铝合金在温热变形时较易发生动态再结晶[33]。如果合金中存在均匀细小的沉淀相，位错的可动性会降低，易被切割的第二相粒子会阻碍亚结构的形成，难被位错切割的第二相粒子，会使合金内部形成丰富的位错亚结构。同时，第二相还可阻碍亚晶界或晶界迁移，提高发生动态回复所需的临界应变值，使合金积蓄起足够高的位错储能并诱发动态再结晶。如细小的MnAl6粒子可使Al-5Mg-0.7Mn合金发生完全动态再结晶，使Al-1Mg-Mn合金发生部分动态再结晶[32]。1.5铝合金板材温成形工艺的研究现状铝合金在温度升高时塑性会大大提高，甚至出现超塑性现象，这一特点激发起研究者