【正文】 得成功，整個成形時間范圍為 30~60min。由于超塑性現(xiàn)象只在低變形速度下出現(xiàn)，成形時間比溫成形的長，因此不能面向大批量的生產(chǎn)，只適合于多品種小批量的生產(chǎn)。高應(yīng)變速率超塑性材料的開發(fā)及其成形技術(shù)的開發(fā)對推廣超塑性成形工藝有著積極的意義。 鋁合金的溫拉伸變形行為在塑性變形過程中，材料的流變應(yīng)力值決定了塑性加工時所需施加的載荷大小和所需消耗能量多少，是選擇設(shè)備和進(jìn)行工模具設(shè)計(jì)的依據(jù)。在現(xiàn)代塑性加工力學(xué)中，精確的流變應(yīng)力值或表達(dá)式是提高理論計(jì)算精度的關(guān)鍵，而建立材料在塑性變形時的流變應(yīng)力數(shù)學(xué)模型，具有重要的學(xué)術(shù)意義和工程價值 [31]。溫?zé)嶙冃巫鳛橐环N能有效改變材料性能的變形方式，其流變應(yīng)力是變形體內(nèi)部顯微組織演變的綜合反映，是表征金屬塑性成形性能的一個最基本量，它受到合金成分、變形溫度、變形程度以及應(yīng)變速率的影響 [31，32] 。因此在開發(fā)溫?zé)岢尚喂に囈约霸诮饘偎苄宰冃卫碚摰难芯糠矫妫髯儜?yīng)力都具有極其重要的作用。 流變應(yīng)力應(yīng)變曲線特征研究合金在不同變形條件下的單向拉伸行為對于鋁合金塑性成形技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用具有重要作用，能為其塑性成形過程的控制與預(yù)測提供依據(jù)。對于不同軟化機(jī)制，其流變應(yīng)力應(yīng)變曲線的特征是不同的。（1）動態(tài)回復(fù)。流變應(yīng)力曲線分為三個階段 [33]：顯微應(yīng)變階段、屈服變形階段和穩(wěn)態(tài)流變階段，其中前兩個階段又稱過渡變形階段，如圖 13（a）所示。第一階段為微變形階段，此時材料中的應(yīng)變速度從零增加到試驗(yàn)所要求的應(yīng)變速度，加工硬化率非常高，即應(yīng)力應(yīng)變曲線近似直線。當(dāng)應(yīng)力達(dá)到屈服應(yīng)力之后，變形進(jìn)入屈服變形階段，此時材料開始發(fā)生動態(tài)回復(fù)引起軟化，加工硬化率逐漸降低，但軟化作用仍小于硬化作用。最后進(jìn)入穩(wěn)態(tài)變形階段，此時，加工硬化被動態(tài)回復(fù)所引起的軟化所抵消，達(dá)到動態(tài)平衡，因此最后一段曲線接近于水平線。（2）動態(tài)再結(jié)晶。在大應(yīng)變速度條件下，流變應(yīng)力先增加到最大值，然后減小到介于峰值應(yīng)力和屈服應(yīng)力間的某一值，并保持基本恒定。較低應(yīng)變速度中南大學(xué)碩士學(xué)位論文 第一章 文獻(xiàn)綜述13變形時，動態(tài)再結(jié)晶引起的軟化與已再結(jié)晶晶粒的變形和重新硬化交替進(jìn)行，流變曲線出現(xiàn)周期性類型鋸齒流變特征。隨應(yīng)變量的增大，材料中發(fā)生再結(jié)晶的體積分?jǐn)?shù)增大，軟化和硬化間交互作用變得越來越不明顯，流變曲線趨于平衡，如圖 13（b）所示。圖 13 熱加工條件下的典型流變曲線 (a)動態(tài)回復(fù) (b) 動態(tài)再結(jié)晶 [33] 本構(gòu)方程的研究在研究材料變形行為時，研究者們常常利用數(shù)學(xué)的方式對材料變形過程中的流變應(yīng)力進(jìn)行描述，這一數(shù)學(xué)模型就是本構(gòu)方程 [34，35] 。材料的本構(gòu)方程是在一定的微觀組織下，材料的流變應(yīng)力對由溫度、應(yīng)變、應(yīng)變速率等熱力學(xué)參數(shù)所構(gòu)成的熱力學(xué)狀態(tài)所作出的反映，這種規(guī)律實(shí)質(zhì)上是由材料力學(xué)狀態(tài)所決定的，會因材料及其狀態(tài)而異的，因此對于不同材料和材料狀態(tài)，其本構(gòu)方程是不相同的。塑性變形流變應(yīng)力是材料結(jié)構(gòu)因素和熱力學(xué)狀態(tài)因素的綜合體現(xiàn)，因此在研究本構(gòu)關(guān)系時都要研究影響材料流變應(yīng)力的因素。一般而言，影響本構(gòu)關(guān)系的基本因素有兩類 [34]，一類是從宏觀方面如實(shí)驗(yàn)溫度T，變形速率 ，變形量??等；另一類是微觀方面的，如：晶粒大小，點(diǎn)陣類型以及金屬種類，溶質(zhì)原?子的種類、性質(zhì)和分布，原始位錯分布和種類等。這兩類影響因素的關(guān)系是宏觀與微觀的關(guān)系，宏觀參數(shù)是微觀結(jié)構(gòu)的體現(xiàn)，宏觀參數(shù)的變化也會影響到微觀結(jié)構(gòu)變化。本構(gòu)關(guān)系主要分兩類 [34，36] ：第一類模型直接描述變形條件（如溫度、應(yīng)變速率等）對流變應(yīng)力的影響；第二類模型描述材料結(jié)構(gòu)的變化對流變應(yīng)力的影響。第一類模型中，在變形引起的熱效應(yīng)可以忽略的低應(yīng)變速率條件下，模擬計(jì)算或設(shè)計(jì)金屬加工工藝時最常用到的有 [36]：Hollomon方程： （1npC???1）Lixdwik方程： （1npo?中南大學(xué)碩士學(xué)位論文 第一章 文獻(xiàn)綜述142）Swift方程： （1n0p)(C????3）Voce方程： （1)nexp(opssp ????4）以上方程的形式都比較簡單，能比較準(zhǔn)確地描述如鋼、銅、鋁合金等特定材料的流變應(yīng)力。其中前三個方程僅僅局限在達(dá)到最大應(yīng)力前的應(yīng)變段，而后一個方程則可以表達(dá)更高應(yīng)變段時的流變應(yīng)力情況。第一類模型中，把應(yīng)變速率的影響加以考慮的方程有 [36]：FieldsBackofen方程： （1mnpC????5）Grosman方程： （11np)ex(?6）如果再把溫度因素考慮到模型里面，則有： （1)Taexp()ne(C1m1p?????7） （1)()(1bt1np??8） （1)Taexp()exp(C1btm1Tbnp2???????9）上述方程中 代表應(yīng)力， 代表屈服點(diǎn)， 代表飽和應(yīng)力，n、n 1是材ppo?ps?料應(yīng)變硬化指數(shù)，m是材料應(yīng)變速率敏感性指數(shù)， C、a b、b 2均為材料系數(shù)。在一般的溫?zé)嶙冃沃?，?yīng)變通常比較大，因此應(yīng)變對流變應(yīng)力的影響效果可以忽略，針對這種情況Zener和Hollomon提出了一種模型 [36]： （1)RTQexp(fp?????10）也可以寫成： （1)exp()][sinh(Anp ????11）中南大學(xué)碩士學(xué)位論文 第一章 文獻(xiàn)綜述15第二類模型描述的流變應(yīng)力行為主要由材料的結(jié)構(gòu)決定。在此情況下，材料的行為可分解為兩個組成部分，即變形過程引起的材料內(nèi)部狀態(tài)的變化以及材料處于特定狀態(tài)中對變形條件改變時的響應(yīng)。這類模型通過一定變量來描述材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)的變化，從而可以用于描述材料在變形過程中的瞬時狀態(tài)。典型有 [47]： （1)RTQexp()s(inhAp???12）該模型是在方程中引入內(nèi)部變量s，用于描述材料在常應(yīng)變速率條件下的瞬時硬化行為。第二類模型的內(nèi)部變量還包括晶粒尺寸、位錯密度、位錯數(shù)量等。以上兩類材料的模型形式從簡單到復(fù)雜，都有著各自的適用范圍。在選擇模型時候，既要考慮到模型的適用范圍是否與研究的實(shí)際情況相符合，保證計(jì)算的準(zhǔn)確性；也要盡量選擇簡便的模型，方便進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。 微觀組織演變 動態(tài)回復(fù)材料變形時動態(tài)回復(fù)所造成的軟化主要由位錯的相互消毀和重排提供的。通常，塑性變形過程中位錯的產(chǎn)生、滑移和相互消毀可用割階化螺型位錯理論和回復(fù)蠕變理論等。動態(tài)回復(fù)機(jī)制主要包括：（1）刃型位錯攀移；（2）滑動螺型位錯上刃型割階的非守恒運(yùn)動；（3）被點(diǎn)缺陷釘扎的位錯的脫釘及三維位錯網(wǎng)絡(luò)的脫纏；（4）螺型位錯的交滑移等。位錯攀移是動態(tài)回復(fù)的主要機(jī)制，包括刃型位錯的攀移和螺位錯中刃型割階的攀移。通過攀移可以促使異號位錯相消，使位錯密度大致恒定。因此，動態(tài)回復(fù)過程是擴(kuò)散控制的位錯攀移過程，層錯能的高低是決定動態(tài)回復(fù)進(jìn)行充分與否的關(guān)鍵因素。經(jīng)典的攀移理論認(rèn)為 [37]，刃型位錯的攀移速度與在攀移位錯附近區(qū)域內(nèi)應(yīng)力作用下產(chǎn)生位錯的幾何條件密切相關(guān)。蠕變變形受空位運(yùn)動和刃型位錯的攀移速度控制，與自擴(kuò)散過程有關(guān)，變形激活能與材料的自擴(kuò)散激活能相近。螺型位錯的交滑移也是動態(tài)回復(fù)機(jī)制之一。Sheyby 等人 [37]研究高純鋁的蠕變變形后發(fā)現(xiàn)，蠕變變形激活能隨溫度的升高而增加，在 77K~880K 溫度范圍中南大學(xué)碩士學(xué)位論文 第一章 文獻(xiàn)綜述16內(nèi)存在兩個平臺，兩個平臺表明每個平臺只有一種機(jī)制控制變形。550K ~880K范圍內(nèi)，激活能與溫度無關(guān)，其大小為 ，與純鋁的自擴(kuò)散激活能相近，表明此時變形主要受位錯的攀移控制。在 250K~375K 范圍內(nèi)，蠕變激活能為 ，螺型位錯的交滑移成為主要熱激活速度控制機(jī)制，兩平臺之間激活能緩慢增加，說明此時兩種速度控制機(jī)制同時發(fā)生作用。 動態(tài)再結(jié)晶溫?zé)嶙冃沃袆討B(tài)再結(jié)晶的發(fā)生需要一定大小的驅(qū)動力，由于變形過程中的動態(tài)回復(fù)隨時在進(jìn)行，儲能隨時在釋放，不容易積累到再結(jié)晶所要求的水平，所以往往要在比靜態(tài)再結(jié)晶臨界形變量高得多的形變量下，才能發(fā)生動態(tài)再結(jié)晶。發(fā)生動態(tài)再結(jié)晶對應(yīng)的臨界應(yīng)變量隨流變應(yīng)力 的增大而增大，隨晶界可?動性的增加而減小，它還隨雜質(zhì)含量、溶質(zhì)原子濃度及沉淀相的增加而增加。動態(tài)再結(jié)晶與動態(tài)回復(fù)不同，Luton 和 Sellars[32]研究了 Ni 和 NiFe 合金的動態(tài)再結(jié)晶行為，發(fā)現(xiàn)發(fā)生動態(tài)再結(jié)晶時存在一臨界變形量 ，相應(yīng)地存在臨D?界位錯密度 ，超過臨界應(yīng)變量 后發(fā)生大量再結(jié)晶所需的時間由此時對應(yīng)的c?D?應(yīng)變量 決定。當(dāng) 時，每一 周期內(nèi)材料可完成一次動態(tài)再結(jié)晶，此r?rD??時 和峰值應(yīng)變量 相近，流變曲線呈現(xiàn)周期性鋸齒型特征，發(fā)生不連續(xù)動態(tài)Dp再結(jié)晶； 時，前一輪動態(tài)再結(jié)晶結(jié)束前，后一輪動態(tài)再結(jié)晶就已經(jīng)開始，xc?此時 比 要小一些，流變曲線出現(xiàn)峰值后降低并趨于平穩(wěn)。在變形過程中，?p隨應(yīng)變速度降低和溫度的升高，發(fā)生不連續(xù)動態(tài)再結(jié)晶的可能性增大，峰值應(yīng)力和穩(wěn)態(tài)應(yīng)力之間的差值減小，達(dá)到峰值應(yīng)力所需的應(yīng)變量也減小；應(yīng)變速度升高或晶界的遷移降低時則出現(xiàn)連續(xù)動態(tài)再結(jié)晶。這兩種形式都屬于晶粒范圍內(nèi)的動態(tài)再結(jié)晶，其形核過程的實(shí)質(zhì)是原始晶粒在穩(wěn)態(tài)變形時所形成的小角度亞晶界不斷吸收滑動位錯或與其它亞晶合并，逐漸增大兩側(cè)亞晶粒間的取向差，并最終形成遷移率較大的大角度晶界。動態(tài)再結(jié)晶過程會受晶界遷移難易的影響。凡是阻止晶界遷移的因素都會提高穩(wěn)態(tài)的流變應(yīng)力。若材料是固溶體合金或含有雜質(zhì)，則溶質(zhì)原子雖能減小金屬的回復(fù)能力而增加動態(tài)再結(jié)晶的傾向，但往往嚴(yán)重地阻礙晶界遷移，降低晶界可動性，減慢動態(tài)再結(jié)晶的速度。若材料是彌散型合金或含有夾雜物，那么細(xì)小分散的第二相能穩(wěn)定基體中的亞組織和阻止晶界移動，遏止動態(tài)再結(jié)晶的進(jìn)行。動態(tài)再結(jié)晶的組織形態(tài)具有如下特征 [32]：（1）再結(jié)晶晶粒中出現(xiàn)位錯纏結(jié)構(gòu)成的亞結(jié)構(gòu)，使再結(jié)晶區(qū)與未再結(jié)晶區(qū)的儲能差別減小。特別在變形程度較大時，這種影響更為顯著。中南大學(xué)碩士學(xué)位論文 第一章 文獻(xiàn)綜述17（2）隨應(yīng)變量的提高，再結(jié)晶晶粒中心的位錯密度積累到足夠發(fā)生另一輪再結(jié)晶時，新的一輪再結(jié)晶便又開始，而再結(jié)晶晶核只能發(fā)生有限長大，晶粒始終保持微細(xì)狀態(tài)，與靜態(tài)再結(jié)晶相比，要細(xì)小得多。（3）提高溫度和降低應(yīng)變速度，會形成比較大而完整的晶粒，反之，降低溫度和提高應(yīng)變速度，則得到比較細(xì)小、位錯密度較高的晶粒。鋁及鋁合金屬于高層錯能金屬，在變形過程中易通過位錯的攀移與交滑移產(chǎn)生充分的動態(tài)回復(fù)，導(dǎo)致剩余的形變儲能不足以引發(fā)動態(tài)再結(jié)晶。因此通常認(rèn)為鋁合金只能產(chǎn)生動態(tài)回復(fù)，但是當(dāng)溫度達(dá)到一定程度時也可能發(fā)生動態(tài)再結(jié)晶。對于 5000 系鋁合金，由于存在一定量的 Mg，層錯能大大降低。因此，5000 系鋁合金在溫?zé)嶙冃螘r較易發(fā)生動態(tài)再結(jié)晶 [33]。如果合金中存在均勻細(xì)小的沉淀相，位錯的可動性會降低，易被切割的第二相粒子會阻礙亞結(jié)構(gòu)的形成，難被位錯切割的第二相粒子，會使合金內(nèi)部形成豐富的位錯亞結(jié)構(gòu)。同時，第二相還可阻礙亞晶界或晶界遷移，提高發(fā)生動態(tài)回復(fù)所需的臨界應(yīng)變值，使合金積蓄起足夠高的位錯儲能并誘發(fā)動態(tài)再結(jié)晶。如細(xì)小的 MnAl6 粒子可使 Al 合金發(fā)生完全動態(tài)再結(jié)晶，使 Al1MgMn 合金發(fā)生部分動態(tài)再結(jié)晶[32]。 鋁合金板材溫成形工藝的研究現(xiàn)狀鋁合金在溫度升高時塑性會大大提高，甚至出現(xiàn)超塑性現(xiàn)象，這一特點(diǎn)激發(fā)起研究者對鋁合金溫成形工藝的研究興趣，其研究方向主要是成形條件對板材成形特性的影響。這些成形條件包括了實(shí)際加工時的成形溫度、壓邊力、成形速度和摩擦條件等工藝參數(shù) [38]。 溫度組合模式的影響 溫度組合模式是針對溫成形條件下工具和板材的溫度組合而言的。美國通用公司使用溫成形工藝對5182合金進(jìn)行V6油箱內(nèi)板的生產(chǎn)，在同時使模具和板料的溫度提高到120℃的條件下取得了成功 [39]。但不是簡單地把溫度升高就可以獲得最好的成形性能。研究表明 [40]，在凹模溫度比凸模溫度高50℃的時候，能得到最好的效果。還有研究采用使凸模保持在室溫的條件下或利用特殊冷卻裝置使其溫度降到10℃以下進(jìn)行圓杯拉深實(shí)驗(yàn)，利用板材和相對冷的凸模接觸，使接觸部分的n值增大，從而避免拉深過程中經(jīng)常出現(xiàn)的凸模圓角部分和杯身直壁的拉裂現(xiàn)象，達(dá)到提高拉深深度的效