- 刘峙麟;
细晶制造一般指通过各种制造技术与工艺将构件中粗大的宏微结构进行细化,促进细晶组织、化学成分、物理性质和加工性能的空间分布均匀性,减小构件局部形性协同离散超差,提升金属构件整体服役性能。典型粗大组织包括柱状晶、树枝晶、金属间化合物和网状共晶等。细晶制造具有重要科学和工程意义,广泛应用于航空航天、轨道交通、汽车行业、海洋船舶和基础建设等领域,其关键技术是实现金属细晶结构调控工程化。细晶结构调控工程化的主要方法有细晶凝固和固态变形,前者为重点论述内容。在细晶结构调控工程化的机理/理论或高效细化剂方面,研究工作取得了诸多进展。通过Al和Mg金属及合金的铸造实验,众多学者发现凝固细晶调控主要取决于形核颗粒和偏析元素。事实上,细晶凝固研究已涵盖到了Al、Mg、Fe、Ti、Cu、Sn、Zn和中/高熵合金等金属构件,细晶结构尺寸可调控范围包括:非晶—纳米晶—亚微米晶—微米晶—亚毫米晶—毫米晶—厘米晶—大单晶。但是,适用于所有金属细晶凝固的共性科学机理/理论尚未完全形成共识。并且,基于现有理论所开发的新型晶粒细化剂效率并不一定都高,这表明当前理论可能忽略了其它未发现的调控因素。基于70多年来细晶凝固领域科学发展,总结了金属凝固细晶调控的共性科学基础与工程实践研究,阐明了当前主流的铸造金属细晶调控理论的异同,揭示了细晶铸造所需细化剂的本征物化条件,简述了固态形变细晶与缺陷工程化,最后探索了细晶制造在航空航天环形构件研发中的工程化应用。
2021年05期 v.28 1-16页 [查看摘要][在线阅读][下载 6249K] [下载次数：105 ] |[网刊下载次数：0 ] |[引用频次：0 ] |[阅读次数：38 ] - 刘春辉;陈龙辉;马培培;湛利华;黄明辉;
不同条件下金属材料变形过程的组织演变规律和形/相变机理是本构建模的基础,利用先进表征工具开展的研究不断深化对微观结构和宏观现象间关系的认识,多尺度计算模型的发展促进金属加工及服役过程的形/性预测精度逐渐提升。综述了近年来透射电子显微镜、扫描电子显微镜和三维X射线衍射等先进表征方法的发展及其在探究金属材料组织演变规律和形/相变机理方面的新进展,总结了分子动力学、离散位错动力学、晶体塑性有限元方法和基于内变量的宏微观耦合本构建模等不同尺度的建模方法及其在模拟金属材料变形过程中的应用,分析了多尺度计算模型的发展趋势。
2021年05期 v.28 17-25页 [查看摘要][在线阅读][下载 1753K] [下载次数：293 ] |[网刊下载次数：0 ] |[引用频次：0 ] |[阅读次数：48 ] - 郑启朋;湛利华;徐永谦;徐凌志;蔡一贤;陈雪莹;黄明辉;
通过应力松弛实验、力学性能测试和透射电子显微镜组织观察并研究了不同初始应力水平和温度条件下7B50铝合金的拉伸和压缩应力松弛、时效析出及其强化行为。结果表明:拉伸和压缩应力松弛时效行为存在不对称性,前期拉应力松弛速率大于压应力松弛速率,但拉应力松弛速率下降较快;后期的拉应力松弛速率小于压应力松弛速率,使得两者应力松弛曲线出现交叉点。随着初始应力水平和时效温度的提高,拉伸和压缩应力松弛量均增加,应力松弛曲线交叉时间提前。相比拉应力松弛时效后的合金,压缩应力下合金的析出相略细小弥散,晶界无析出带更窄。因此,应力松弛时效后压应力下合金的屈服强度和抗拉强度均优于相同条件拉伸应力下的合金。
2021年05期 v.28 26-34页 [查看摘要][在线阅读][下载 4159K] [下载次数：112 ] |[网刊下载次数：0 ] |[引用频次：0 ] |[阅读次数：43 ] - 张朝阳;KONG Charlie;喻海良;
采用1.0、1.2、1.4和1.6的轧制异速比对高温退火Cr Co Ni中熵合金进行室温和深冷异步轧制,并对轧后的材料在873、973和1073 K退火处理0.5 h。采用透射电子显微镜对轧制态样品进行微观表征,发现轧制态合金晶粒尺寸随着异速比增加而减小,且存在明显的孪晶。室温异步轧制实验显示,轧制后轧制态和退火态合金的抗拉强度均随着轧制异速比的增加而增加。深冷轧制制备的材料具有比室温轧制更高的强度,但深冷轧制过程异速比对材料强度影响不明显。在深冷异步轧制过程中,由于内应力和轧制缺陷的累积使得异速比强化有一定的饱和度。采用场发射扫描电子显微镜对拉伸试样的断口形貌进行表征,发现室温异步轧制后合金具有明显的韧窝,而深冷异步轧制韧窝相对较浅,为剪切断裂。
2021年05期 v.28 35-43页 [查看摘要][在线阅读][下载 3617K] [下载次数：127 ] |[网刊下载次数：0 ] |[引用频次：0 ] |[阅读次数：35 ] - 崔晓辉;邱东阳;颜子钦;杜志浩;
为了提高小孔翻边效率,提出了带集磁器的电磁翻边成形方法。采用ANSYS软件建立了多物理场耦合有限元模型,分析了集磁器结构对板料磁场力分布和板料翻边变形均匀性的影响规律。研究发现:传统单缝集磁器的缝隙所对应板料电磁力小,最终缝隙对应的板料变形量小,板料整体变形均匀性差。当采用4缝集磁器时,多缝隙使板料电磁力分布均匀性提高。采用有限元软件优化设计了4缝集磁器的短缝尺寸。加工了4缝集磁器结构,并进行了磁脉冲成形实验。模拟结果表明,单缝集磁器板料最大贴模间隙为2.65 mm,而4缝隙的最大贴模间隙为0.22 mm。模拟结果与实验结果的相对误差小于4%。
2021年05期 v.28 44-52页 [查看摘要][在线阅读][下载 4414K] [下载次数：88 ] |[网刊下载次数：0 ] |[引用频次：0 ] |[阅读次数：43 ] - 陈超;秦登林;赵升吨;高小雷;李海君;
建立了精压机工作机构的力学模型,包括各个连杆所受的轴向力和摩擦力。以本课题组设计的1600 k N精压机的技术参数为例,对精压机工作机构进行了惯性力分析和计算。分别求解了该工作机构在精压过程中水平方向和竖直方向上的惯性力,并提出了采用左右对称的双肘杆机构消除水平方向惯性力和采用滑块平衡器降低竖直方向惯性力的措施。对1600 k N精压机的工作机构进行了有限元分析,包括静力学分析和模态分析。求解了该精压机工作机构的等效应力分布、变形分布和前6阶固有频率,验证了该精压机工作机构的可靠性和安全性。
2021年05期 v.28 53-61页 [查看摘要][在线阅读][下载 2692K] [下载次数：115 ] |[网刊下载次数：0 ] |[引用频次：0 ] |[阅读次数：39 ] - 王子巍;许谦;徐永谦;湛利华;
开展了不同温度、应力状态及水平等环境载荷条件下俯仰轴用42CrMo合金钢的蠕变实验和力学性能测试。结果表明:42CrMo合金钢在环境载荷下发生了典型的双阶段蠕变(初始蠕变阶段和稳态蠕变阶段),随应力水平和温度的增加,总蠕变量和稳态蠕变速率均增大。然而,拉压应力状态对其蠕变行为影响不显著。通过计算得到环境温度40～60℃范围内42CrMo合金钢的蠕变应力指数n≈5,表明蠕变机制以位错滑移机制为主,且其表观激活能随应力增加而降低。此外,在环境载荷条件下,合金钢蠕变前后的抗拉强度和屈服强度变化不显著,而随温度和应力水平的增加,合金钢蠕变后的伸长率有降低的趋势。
2021年05期 v.28 62-69页 [查看摘要][在线阅读][下载 2519K] [下载次数：63 ] |[网刊下载次数：0 ] |[引用频次：0 ] |[阅读次数：31 ] - 童璨瑜;郜阳;王建光;徐凌志;胡蓝;湛利华;徐永谦;
通过改变传统的蠕变试验方案中试验应力采用绝对值的方法,提出将试验应力与材料在时效温度下屈服强度的比值(应力因子)作为施加应力标准的方案。为探索应力因子的影响规律,在130～150℃的时效温度下,分别开展了7150-T77态铝合金不同应力因子(0.3、0.5、0.7)与350 MPa绝对应力下的蠕变时效行为研究。结果表明,随着应力因子的增大,7150-T77态铝合金的蠕变量增大而力学性能有所下降;当应力因子相同时,材料在不同温度下的蠕变量趋于相等。且应力因子的变化会使蠕变量产生显著的差异,说明材料所受应力与其当前屈服强度的比值可能比单一的应力和温度更适合来描述铝合金的蠕变变形行为。
2021年05期 v.28 70-75页 [查看摘要][在线阅读][下载 1415K] [下载次数：57 ] |[网刊下载次数：0 ] |[引用频次：0 ] |[阅读次数：27 ] - 刘粤;赵祥帅;KONG Charlie;喻海良;
采用冷轧和低温时效工艺制备了AA6061带材,测试了带材在室温和深冷温度(-100℃)下的拉伸力学性能。利用扫描电子显微镜、X射线衍射和透射电子显微镜分析了带材的微观组织。结果表明,轧制压下率为50%、120℃时效30 h的带材,其深冷拉伸极限抗拉强度与室温拉伸极限抗拉强度的最大差值为37.7 MPa,最小差值为140℃时效30 h时的2.1 MPa。随着时效时间的延长,深冷性能先增加后降低。试样在140℃下的整体性能低于120℃,这是由于材料出现了过时效。随着轧制压下率、时效时间和温度的增加,材料的晶格摩擦应力、位错强化和析出强化逐渐接近极限值,室温拉伸试样与深冷拉伸试样的强度差逐渐减小。
2021年05期 v.28 76-83页 [查看摘要][在线阅读][下载 4015K] [下载次数：104 ] |[网刊下载次数：0 ] |[引用频次：0 ] |[阅读次数：26 ] - 张昀;李晓谦;李瑞卿;喻海良;
采用超声辅助铸造技术制备了尺寸为Φ1380 mm×3700 mm大规格2219铝合金铸锭,并通过多向热锻、马架扩孔、多道次变温环轧和形变热处理等工艺将铸锭制备成Φ5000 mm的火箭贮箱用过渡环。对铸锭和环形件的Al2Cu组织与力学性能进行检测分析发现,靠近铸锭心部位置的共晶组织相互桥接形成网络状形貌,面积分数为8.25%;从铸锭心部到边部,共晶组织含量逐渐减少,连续性降低。粗大密集的Al2Cu相经环件成形工艺后发生固溶和破碎,基体内Al2Cu相含量明显减少。其中,靠近环件内径部位Al2Cu相呈带状聚集,平均晶粒尺寸约5～12μm,面积分数约1.02%。密集的Al2Cu相容易造成应力集中,导致微裂纹优先形核和扩展,因此靠近内径处的强度与伸长率偏低,但均满足设计要求。靠近外径处的Al2Cu相分散,面积分数约0.49%,基体内析出大量均匀分布的针状θ'强化相,材料强度与伸长率满足设计要求。
2021年05期 v.28 84-93页 [查看摘要][在线阅读][下载 5025K] [下载次数：126 ] |[网刊下载次数：0 ] |[引用频次：1 ] |[阅读次数：27 ] - 颜子钦;崔晓辉;肖昂;杜志浩;林愈弘;
针对传统冲压工艺下7075-T6铝合金成形极限低的问题,开展了铝合金的高速率动态变形研究。采用数值模拟仿真与实验手段,探讨了7075-T6铝合金板料的动态变形过程。发现在电磁力的直接作用下,板料在变形过程中出现了明显抖动现象,使零件顶部出现凹坑,变形均匀性差。采用纯铝板进行电磁驱动成形,提高了板料的变形均匀性。进行了拉伸试样的断裂模拟和实验研究。与准静态冲压成形相比,电磁成形条件下试样在断裂前需要更大的断裂能,导致零件出现多处延性断裂,并且达到更大的断裂应变。板料的动态变形和断裂模拟与实验结果一致,证明了有限元模拟的正确性。
2021年05期 v.28 94-102页 [查看摘要][在线阅读][下载 4141K] [下载次数：148 ] |[网刊下载次数：0 ] |[引用频次：0 ] |[阅读次数：31 ] - 陈凱亮;刘春辉;杨建使;马培培;湛利华;
通过改变常规冷变形和自然时效顺序,提出一种结合自然时效和大预变形提高Al-Mg-Si-Cu合金蠕变量和力学性能的工艺。通过硬度测试、蠕变时效测试、拉伸力学性能测试和透射电镜观察,对比了常规处理和改进工艺处理的试样在蠕变时效过程中的硬度、蠕变量、力学性能和微观结构的演变规律。结果表明,改进工艺处理能够有效延长合金蠕变时效第1阶段的持续时间,24 h内的总蠕变量比常规处理的试样提高约1.5～3.2倍,也能够显著提高Al-Mg-Si-Cu合金的强度,同时保持合金的断后伸长率不降低。透射电镜观察结果显示,大预变形合金初始位错密度大并在蠕变时效过程中显著降低,在晶格缺陷的诱导下,Al-Mg-Si-Cu合金中形成了壁状析出相,该析出相在经常规蠕变时效的合金中并未被发现。建立了基于位错密度和应力阈值的本构方程,可以准确预测大预变形态Al-Mg-Si-Cu合金的蠕变时效行为。
2021年05期 v.28 103-112页 [查看摘要][在线阅读][下载 3285K] [下载次数：96 ] |[网刊下载次数：0 ] |[引用频次：0 ] |[阅读次数：34 ] - 姜雪鹏;潘晴;李毅波;朱晓宁;
提出了一种基于主应力法和能量法的多向模锻过程变形力的实时预测方法。该方法分别在垂直和水平锻造方向上划分了若干成形子阶段。通过分析基元体平衡方程和边界条件,建立子阶段成形变形力与多轴冲头速度、位移、成形界面摩擦系数等成形要素之间的表达关系,从而实现全过程多向锻造变形力的实时预测。结果表明,利用该方法进行三通类锻件变形力预测与Deform仿真结果吻合度较高,验证了该预测方法的有效性;同时,通过与不同材料和形状的T型三通锻件成形的实验和仿真算例进行对比分析,验证了该预测方法的合理性和普遍适用性。
2021年05期 v.28 113-125页 [查看摘要][在线阅读][下载 3299K] [下载次数：68 ] |[网刊下载次数：0 ] |[引用频次：0 ] |[阅读次数：25 ] - 赵祥帅;刘粤;KONG Charlie;喻海良;
研究了异步轧制和退火铜箔在室温拉伸过程中的厚度尺寸效应。为研究晶粒尺寸、厚度、厚度晶粒尺寸比和位错密度对力学性能的影响,对轧制后不同厚度的板材一部分进行600℃退火处理作为对比。通过室温单向拉伸实验和电镜观察分别对箔材进行力学性能和微观组织分析。结果表明,材料的极限抗拉强度与晶粒尺寸、厚度、厚度/晶粒尺寸比和位错密度有关。对于轧制态的试样,晶粒尺寸、厚度和位错密度共同作用,使得随着材料厚度的减小,其极限抗拉强度先表现出"越薄越强",然后显现出"越薄越弱"的尺寸效应;而对于退火态试样,仅受厚度方向上晶粒个数的影响,随着材料厚度的降低,其极限抗拉强度表现出"越薄越弱"的尺寸效应现象。在伸长率方面,轧制态和退火态试样都随着材料厚度的减小而逐渐降低。
2021年05期 v.28 126-133页 [查看摘要][在线阅读][下载 3955K] [下载次数：88 ] |[网刊下载次数：0 ] |[引用频次：0 ] |[阅读次数：24 ] - 汤智茂;湛利华;徐永谦;李国鹏;
采用光学显微镜、扫描电子显微镜、万能力学试验机和显微硬度仪表征分析了焊后时效热处理对2219铝合金搅拌摩擦焊焊缝组织性能的影响规律,并讨论了其影响机制。结果表明:短时人工时效能使焊缝的热影响区硬度提高至与母材同一水平,但对热机影响区硬度影响不显著;随着时效时间增加,焊核区和母材硬度可进一步提高,焊接板材整体屈服强度和抗拉强度提升,但伸长率降低;室温拉伸断裂位置在前进侧的热机影响区,断裂方式主要为韧性断裂和局部的脆性断裂,这可能是由该区域内无时效析出且存在微孔洞等缺陷导致的。
2021年05期 v.28 134-144页 [查看摘要][在线阅读][下载 5296K] [下载次数：285 ] |[网刊下载次数：0 ] |[引用频次：1 ] |[阅读次数：25 ] - 刘涛;王青山;秦斌;王艾伦;
提出一种分析矩形板结构在不同边界下的自由振动特性的Chebyshev谱方法。基于一阶剪切变形理论,考虑了矩形板结构面内和面外位移建立其控制方程和边界条件方程,将矩形板结构的位移函数进行谱展开成有限项Chebyshev多项式,再根据Gauss-Lobatto点进行离散得到结构的矩阵形式特征方程,求解特征方程获得矩形板自由振动的频率和振型。将计算的矩形板结构振动特性与相关文献和有限元软件计算结果对比,充分验证了所提出Chebyshev谱方法的快速收敛性和计算精确性。结果表明,当矩形板厚度较厚时,其面内振动频率会出现在前几阶固有频率之中;当矩形板的面积增大时,其固有频率参数降低。此方法可进一步发展为通用数值计算方法,指导结构参数化设计。
2021年05期 v.28 145-152页 [查看摘要][在线阅读][下载 1527K] [下载次数：74 ] |[网刊下载次数：0 ] |[引用频次：0 ] |[阅读次数：31 ]
- 孙浩博;陈响军;徐斌;孙明月;
针对大型锥形筒件传统制造方法存在的成形效率低、成形件性能差和尺寸难控制等缺点,提出一种大型管坯分区冷却缩口、多次扩口混合的热模压成形方法。基于商用有限元软件ABAQUS,构建了热力耦合仿真模型,优化了大型管坯热成形工艺,并通过对比仿真和所设计的缩比实验结果,验证了仿真模型的准确性与成形工艺的可行性。研究结果表明:提出的成形方法能够满足大型锥形筒件的加工要求,同时,分区冷却工艺对大型锥形筒件成形效果有显著影响,在冷却缩口过程中,冷却区和成形区的强度均随冷却时间的增加而增大,当单位厚度冷却时间为1.714 s·mm-1时,冷却缩口成形效果最佳,既保证了冷却区强度,又使成形区具有足够的塑性;管坯最大冷却区长度为1580 mm,当冷却区长度为1480 mm时,能够避免因长度不合适导致冷却过渡区域产生缺陷的现象。
2021年05期 v.28 192-201页 [查看摘要][在线阅读][下载 5066K] [下载次数：114 ] |[网刊下载次数：0 ] |[引用频次：0 ] |[阅读次数：26 ] - 王勇;项贺;王艳阳;张祖芳;金平;周庆成;
为改善花键套冷挤压过程中成形力过大等问题,在冷挤压过程中引入辅助振动,通过仿真实验分析了轴向振动冷挤压的成形结果,并对比了有无振动辅助情况下的微观组织。结果表明,辅助振动冷挤压成形可细化晶粒;为揭示花键套性能与工艺参数间的规律,以振动频率、振动速度幅值和挤压速度作为输入,齿根、齿顶和节圆部位平均晶粒尺寸作为输出,以不同取值下的工艺参数得到的仿真实验数据为基础,利用模糊神经网络建立花键套冷挤压过程中微观组织演化的预测模型,从而建立成形工艺参数与花键套微观组织特征的映射关系。测试集验证结果表明:模型可实现一定范围内较高精度的预测,平均相对误差为6.79%,最大相对误差不超过12%。
2021年05期 v.28 202-210页 [查看摘要][在线阅读][下载 3536K] [下载次数：53 ] |[网刊下载次数：0 ] |[引用频次：0 ] |[阅读次数：26 ] - 吕琳;刘武静;高红兰;
首先分析了纵弧棱U型梁的冲压变形特点和该类件冲压成形后产生截面角度回弹和纵向曲率回弹的原因。其次,利用有限元软件对该类件的成形过程进行了数值模拟,研究了材料性能、弧棱半径和翼板宽度对回弹的影响;研究了压边力和摩擦系数等成形参数对回弹量的影响规律。最后进行了实验验证。结果表明,在工件截面上,顶部角度回弹值Δθ1为正,翼板角度回弹值Δθ2为负;纵向回弹使工件的弧棱曲率变小。制件的材料强度越高,截面圆角半径越大,弧棱半径和翼板宽度越小,成形回弹量越大;冲压成形时的压边力和摩擦系数越大,回弹量越小。
2021年05期 v.28 211-217页 [查看摘要][在线阅读][下载 3055K] [下载次数：73 ] |[网刊下载次数：0 ] |[引用频次：0 ] |[阅读次数：30 ] - 张凌云;石绍秋;王晓玉;徐淑赢;范作鹏;
为了对回弹量进行精准预测和控制,以飞机翼肋件为研究对象,结合有限元模拟和RBF神经网络对橡皮囊成形的飞机翼肋凸翻边回弹情况进行预测。首先利用PAM-STAMP 2G软件进行翼肋的橡皮囊成形模拟,将模拟得到的翻边回弹值与同参数下试验件的实际回弹测量值对比,验证了模拟试验代替实际成形的可行性。然后借助正交试验获得不同参数组合下的进行模拟试验的影响因素数组,并通过有限元模拟成形获得测量点的回弹值作为神经网络的训练样本,建立RBF神经网络并对其训练测试得到最优的网络模型。最后采用与神经网络输入相同的工艺参数进行翼肋的橡皮囊成形试验,将成形试验测得的回弹值与神经网络预测的回弹值进行对比,两种成形压力下的最大相对误差分别为3.54%和3.78%,远小于工业要求误差,验证了RBF神经网络对钣金件回弹预测的可靠性。
2021年05期 v.28 218-225页 [查看摘要][在线阅读][下载 2044K] [下载次数：127 ] |[网刊下载次数：0 ] |[引用频次：0 ] |[阅读次数：27 ] - 徐俊瑞;李毅;谢雪云;王宇阳;
提出了铝合金板材磁脉冲冲击弹性介质成形技术,克服了传统板材磁脉冲成形中存在的板材导电性、贴模和线圈局限等问题。成形中耦合了磁脉冲成形的高应变速率效应和弹性介质的柔性作用,无需针对不同成形件形状频繁更换线圈,容易实现多次冲击成形。针对5052铝合金板材,进行了磁脉冲冲击弹性介质成形试验研究。研究了放电能量和成形温度对变形的影响,分析了胀形高度、壁厚和减薄率的变化规律。结果表明,7 k J/200℃下,板材产生较显著变形,峰值胀形高度为18.1 mm,壁厚减薄率为41%。7 k J/200℃下二次冲击可进一步提高板材的变形程度,极限应变分布明显高于准静态。通过微观组织分析发现,200℃下成形晶粒发生长大,150℃下二次冲击后的晶粒出现细化趋势。调节优化放电能量、成形温度与冲击次数可实现5052铝合金板材成形性的大幅提高。
2021年05期 v.28 226-233页 [查看摘要][在线阅读][下载 3649K] [下载次数：46 ] |[网刊下载次数：0 ] |[引用频次：0 ] |[阅读次数：28 ] - 锅渺;李莎;韩建超;贾燚;
采用新型波-平轧制(CFR)工艺制备了镁/铝复合板,并与传统平轧(TFR)工艺进行了对比,研究了轧制温度对镁/铝复合板界面金属间化合物、基体显微组织和力学性能的影响。同时建立了二维轧制模型,分析了CFR和TFR轧制过程中应力和应变的变化。结果表明,在相同轧制温度下,CFR制备的复合板金属间化合物厚度相对TFR较厚。随着轧制温度的升高,金属间化合物厚度逐渐增大。仿真结果分析表明,波谷处的等效应力和应变明显高于波峰处,平辊轧制的等效应力和应变介于波峰与波谷之间。相同轧制温度下CFR制备的复合板综合力学性能较好。力学性能测结果表明350℃+CFR制备的复合板综合力学性能最佳(最大拉伸应力为384 MPa,伸长率为15.52%)。
2021年05期 v.28 234-241页 [查看摘要][在线阅读][下载 2901K] [下载次数：132 ] |[网刊下载次数：0 ] |[引用频次：1 ] |[阅读次数：28 ]