铝/镁合金超声振动塑性成形中的材料行为与超声作用机制研究

Ultrasonic metal forming can effectively reduce the forming force, improve the forming limit and quality. It is a distinctive and effective metal forming process. Aiming at materials behaviors and mechanisms of aluminum/magnesium alloy ultrasonic forming, the project researches the effects of the ultrasonic vibration performances on changes of material behaviors, such as microstructure, deformation and flow, failure, temperature, ascertains acting mechanisms of ultrasonic vibration performances on deformation behaviors and formability. This project studies influence of the ultrasonic vibration performances on the friction coefficient between the die and the workpiece, establish the response surface equation of friction coefficient, analytical expression of friction coefficient of ultrasonic upsetting under the non-local condition. On the basis of studying the changes of the dislocation evolution varying the ultrasonic vibration performances, this project establishes dislocation dynamics model and material constitutive model under the action of the ultrasonic vibration. This project solves the modeling method of the finite element simulation of the ultrasonic metal forming, studies numerically transient distribution and evolution laws of the physics fields. This project will reveal the internal mechanisms of the volume effect and surface effect under the ultrasonic vibration performances, clarify the dynamic behaviors and acting mechanisms of the ultrasonic vibration during the forming process. The studies have important theoretical and practical significance for the enrichment and development of the ultrasonic metal forming theory.

金属超声振动塑性成形能有效降低成形力、提高成形极限和改善成形质量，是一种颇具特色和发展潜力的材料成形技术。本项目针对铝/镁合金超声振动塑性成形中的材料行为及其机理，研究超声振动对材料的性能、微观组织、变形与流动、失效、温度等材料行为变化的影响规律，探明超声振动对材料流动和变形规律、成形性能的影响和作用机制。研究超声振动对模具/工件间摩擦系数的影响规律，建立摩擦系数随振动参量和压下量变化的响应面方程、非局部条件下振动镦粗摩擦力的解析表达式，研究振动参量对材料成形过程中的位错及其变化的影响规律，建立超声振动作用下的位错动力学模型和材料本构模型，模拟研究成形过程中各物理场量的瞬时分布及其演变规律，从理论上揭示超声振动作用下的体积效应和表面效应的内在机理，阐明成形中的材料动态行为及其变化规律。这对于丰富和发展金属超声振动塑性成形理论，促进该技术的工程应用，具有重要的理论意义与实践意义。

超声振动辅助塑性成形技术利用超声能量辅助完成各种塑性成形加工，与传统工艺相比具有独特优势。为此，本项目研发了超声振动辅助拉伸和压缩成形实验系统，研究了关键零件的静态特性及动力学响应特性，保障了试验系统可靠性；研究了超声振动对镦粗过程中材料变形的影响，以及高径比对超声振动作用的影响，系统研究了振动参量对AZ31镁合金、6061和6063铝合金的性能、应力-应变关系、微观组织、显微硬度、断裂方式等的影响规律，揭示了超声振动材料塑性变形行为的影响机制；基于圆环镦粗实验，测定了不同的润滑和振动条件下工具/试样界面间的摩擦系数，研究了在不同的润滑条件下施加不同振幅的超声振动后，试样表面硬度、粗糙度和表面形貌的变化，揭示了超声振动辅助成形中的表面效应及其机制；考虑超声振动能量对材料的影响，构建了基于位错动力学和超声振动辅助的材料塑性本构模型。基于镦粗实验和JC模型，构建了超声振动条件下的应力应变关系模型，定量研究了振幅和频率对材料的屈服强度和应变硬化指数的影响规律；研究了超声振动塑性成形过程有限元分析的建模方法，实现了超声振动塑性成形过程的有限元数值模拟，定量揭示了材料在超声振动作用下的动态行为与超声振动对材料行为的作用机制；将超声振动引入到弯曲成形和喷丸中，研究了超声振动辅助板料弯曲成形中回弹降低的机制，研究了超声振动喷丸中工艺参数对材料表面硬度、表面纳米层、表面粗糙度等的影响规律。相关研究成果对于促进金属超声振动塑性成形理论的发展和该技术的工程应用，具有重要的理论意义与工程意义。