变形与断裂 2 江苏大学

材料成形工艺基础江苏大学智慧树知到答案2024年第一章测试1.“成形”指的是通过加工使材料具有了某种状态，其内涵较“成型”更加丰富。

（）A:对 B:错答案:A2.铸造、锻压和焊接，都有一个对坯料进行加热的过程，故都属于热加工工艺的范畴。

（）A:错 B:对答案:A3.云纹铜禁的主要成形工艺为砂型铸造。

（）A:错 B:对答案:A4.金属连接成形工艺一般可分为焊接以及铆接、黏结等。

（）A:对 B:错答案:A5.增材制造是一种金属液态成形工艺。

（）A:对 B:错答案:B6.“失蜡法”铸造是（）。

A:砂型铸造B:熔模铸造C:实型铸造D:压力铸造答案:B7.《梦溪笔谈》中记载了灌钢工艺中的（）。

A:生铁陷入法B:生铁覆盖法C:生铁冶炼法D:生铁提纯法答案:A8.秦始皇铜车马中铜马脖子上的项圈采用的连接工艺是（）。

A:钎焊B:黏结C:铸焊D:铆接答案:A9.非金属材料成形一般包括陶瓷材料成形、高分子材料成形和（）。

A:塑料成形B:橡胶成形C:复合材料成形D:胶黏剂成形答案:C10.材料成形工艺除非金属材料成形之外，一般还包括（）。

A:金属连接成形B:金属塑性成形C:金属液态成形D:增材制造答案:ABCD第二章测试1.合金收缩经历三个阶段，其中液态收缩和固态收缩是产生缩孔和缩松的基本原因。

（）A:错 B:对答案:A2.为防止铸件产生裂纹，在设计零件时一般力求壁厚均匀。

（）A:错 B:对答案:B3.选择分型面的第一条原则是保证能够起模。

（）A:对 B:错答案:A4.压力铸造可铸出形状复杂的薄壁铸件，是因为保持了一定工作温度的铸型提高了合金充型能力所致。

（）A:错 B:对答案:A5.起模斜度是为便于起模而设置的，并非零件结构所需要。

（）A:对 B:错答案:A6.合金的铸造性能主要包括（）。

A:充型能力和流动性B:充型能力和收缩C:流动性和缩孔倾向D:充型能力和变形倾向答案:B7.下面合金形成缩松倾向最大的是（）。

A:远离共晶成分的合金B:共晶成分的合金C:纯金属D:近共晶成分的合金答案:A8.灰口铸铁、可锻铸铁和球墨铸铁在机械性能上有较大差别，主要是因为它们（）不同。

㊀第43卷㊀第3期2024年3月中国材料进展MATERIALS CHINAVol.43㊀No.3Mar.2024收稿日期:2021-11-05㊀㊀修回日期:2022-06-17基金项目:国家自然科学基金项目(51601070,51875263);江苏省自然科学基金项目(BK20181447)第一作者:程传峰,男,1974年生,高级工程师通讯作者:朱英霞,女,1986年生,副教授,硕士生导师,Email:xia166109@ DOI :10.7502/j.issn.1674-3962.2021110053003Al-H14薄壁微小通道扁管波形冲压成形尺寸对截面变形的作用规律程传峰1,金㊀明2,王项如1,朱英霞3,程一峰3,盘朝奉4,王㊀园3(1.安徽新富新能源科技股份有限公司,安徽安庆246001)(2.安徽环新集团股份有限公司,安徽安庆246001)(3.江苏大学机械工程学院,江苏镇江212013)(4.江苏大学汽车工程研究院,江苏镇江212013)摘㊀要:薄壁微小通道波形扁管是建设新能源汽车锂电池组恒温系统的绝佳材料,成形尺寸是影响其冲压成形截面变形的关键因素㊂建立了实验验证的3003Al-H14微小通道薄壁扁管的波形冲压-回弹有限元模型㊂基于所建模型,研究了截面高度㊁管坯壁厚㊁内外面相对弯曲半径缩放系数等成形尺寸,对截面变形率和平均截面变形率的作用规律㊂研究发现:①横截面上边缘孔的截面变形率通常较大,其余孔的截面变形率相对较小且大小一致;纵截面上孔的截面变形率呈现波峰波谷高㊁中间段低的分布特点㊂②扁管的截面变形率随着截面高度增大而增大,当截面高度超过4mm 时,扁管内的筋显著弯折,横截面塌陷严重㊂③扁管的平均截面变形率随着壁厚增大呈指数函数下降;当壁厚等于0.1mm 时,所有截面都畸变严重,而当壁厚超过0.3mm 时,最大截面畸变率下降至24.71%㊂④内外面相对弯曲半径的缩放系数越大,则内外面的实际弯曲程度越小,平均截面变形率也越小㊂研究成果对薄壁微小通道波形扁管的精确成形具有科学意义和工程价值㊂关键词:微小通道管;冲压;薄壁件;成形尺寸;截面变形中图分类号:TG386㊀㊀文献标识码:A㊀㊀文章编号:1674-3962(2024)03-0265-08引用格式:程传峰,金明,王项如,等.3003Al-H14薄壁微小通道扁管波形冲压成形尺寸对截面变形的作用规律[J].中国材料进展,2024,43(3):265-272.CHENG C F,JIN M,WANG X R,et al .Effect of Forming Size on Sectional Deformation of Wave Stamping of 3003Al-H14Micro ChannelFlat Tube[J].Materials China,2024,43(3):265-272.Effect of Forming Size on Sectional Deformation of WaveStamping of 3003Al-H14Micro Channel Flat TubeCHENG Chuanfeng 1,JIN Ming 2,WANG Xiangru 1,ZHU Yingxia 3,CHENG Yifeng 3,PAN Chaofeng 4,WANG Yuan 3(1.ANHUI XMAX New Energy Technology Co.,Ltd.,Anqing 246001,China)(2.ANHUI ARN GROUP Co.,Ltd.,Anqing 246001,China)(3.School of Mechanical Engineering,Jiangsu University,Zhenjiang 212013,China)(4.Automotive Engineering Research Institute,Jiangsu University,Zhenjiang 212013,China)Abstract :The thin-walled flat tube with microchannels is an essential component for the construction of the constant tem-perature system in lithium-ion battery packs for new energy vehicles.The dimensions used in forming this component are critical factors that influence the deformation of the stamped section.An experimentally verified finite element model hasbeen developed for the waveform stamping-springback of 3003Al-H14thin-walled flat tubes with microchannels.Thismodel was used to investigate the impact of forming dimen-sions such as section height,tube blank wall thickness,andrelative bending radius scaling factors of the inner and outer surfaces on the section deformation ratio and average section deformation ratio.The research findings are as follows:①The section deformation ratio of the holes at the upper edgeof the cross-section is generally larger,while the deforma-tion ratio of the remaining holes is relatively small and con-中国材料进展第43卷sistent in size.The section deformation ratio of the holes on the longitudinal section exhibits a distribution pattern with high peaks and valleys and low values in the middle section.②The section deformation ratio of the flat tube increases with the increase in section height.When the section height exceeds4mm,the ribs inside the flat tube significantly bend,leading to severe collapse of the cross-section.③The average section deformation ratio of the flat tube decreases exponentially with in-creasing wall thickness.When the wall thickness equals0.1mm,all sections exhibit severe distortion,while when the wall thickness exceeds0.3mm,the maximum section distortion ratio decreases to24.71%.④A larger scaling factor of the rela-tive bending radius of the inner and outer surfaces results in a smaller actual bending degree of these surfaces and a smaller average section deformation ratio.This study has scientific significance and engineering value for the precise forming of thin-walled microchannel waveform flat tubes.Key words:micro-channel tube;stamping;thin-walled parts;forming dimensions;cross-sectional deformation1㊀前㊀言目前,在航空航天㊁汽车㊁通讯㊁军工等领域,大量设备正向着微型化㊁高功率和结构高密度的方向发展[1],因此工作时的热流密度远大于常规尺度的设备,如果散热不够理想,其工作性能和寿命会受到严重影响[2]㊂因此,传热性能优异且同时具备节能㊁降本㊁环保优势的薄壁多孔微小通道扁管被越来越多的研究者和制造厂商应用于微型化㊁高功率和结构高密度集成化设备的散热系统中㊂薄壁多孔微小通道扁管是一种采用精炼铝棒,通过热挤压-熔焊工艺和表面喷锌防腐处理制造成形的薄壁多孔扁形管[3]㊂由于薄壁微小通道扁管具有十分突出的环保㊁增效㊁节能㊁降本4大优势,因此早在1996年就在汽车空调系统中获得应用㊂与传统的管翅式换热器相比,薄壁多孔微小通道扁管换热器的传热效率可以提高14% ~33%㊂在获得相同制冷效果的前提下,所需制冷剂的量可减少35%[4]㊂薄壁多孔微小通道扁管的结构精细复杂,加工制造难度较高,常用的材料主要有1050㊁1060㊁1100㊁1A97㊁3003㊁3F03㊁3102和3103铝合金[5,6]㊂多孔微小通道的导热性能与流道的尺寸和横截面形状密切相关[7],因此很多学者针对多孔微小通道扁管的空间结构展开了研究㊂夏国栋团队[8]和谢忱创[9]均研究发现,波形结构的薄壁多孔微小通道扁管能大大提高新能源汽车电池组的散热能效㊂最新的研究成果也表明,较之平行微小通道,波形微小通道能使流通的冷却液再循环和回流,进而强化扁管的能效传递,且相同工况下,波形微小通道扁管的温度分布更均匀[10-12]㊂现有研究说明,多孔微小通道波形扁管将是解决新能源汽车锂电池组和机车电控元件这类发热密集㊁温度敏感型零部件恒温问题的绝佳材料[10,11]㊂然而由于缺乏薄壁多孔微小通道扁管的波形成形工艺与技术,上述研究成果依旧停留在理论研究阶段,迫切需要对薄壁多孔微小通道扁管的波形成形工艺展开研究㊂李大永团队研究了多孔微小圆通道扁管[13]㊁多层平行流微小通道换热器[4]和折叠式薄壁多孔扁管[14]的绕弯成形能力㊂绕弯成形与本文研究的波形冲压同属管类的二次塑性成形工艺㊂李大永团队的研究结果表明:①薄壁多孔微小通道扁管的弯曲半径和截面尺寸对绕弯成形结束后微小通道的截面变形有重要影响;②截面变形是薄壁多孔微小通道扁管最为显著的弯曲成形缺陷,也是对其导热性能影响最严重的缺陷,且与常规管材不同的是,其通道的纵截面变形比横截面变形更显著㊂上述研究结果与工艺方法对本研究具有较好的借鉴意义,但是其研究对象接近板材,获得的数据与经验规律不能直接用于管材㊂本文以适用于高密度集成化设备散热系统的3003Al-H14薄壁多孔微小通道扁管为研究对象,对其波形冲压工艺过程中成形尺寸对截面变形的影响规律展开了研究㊂本研究对波形微小通道的精确塑性成形发展具有很好的科研价值和技术指导意义㊂2㊀建立3003Al-H14薄壁微小通道扁管的波形冲压成形有限元模型2.1㊀3003Al-H14薄壁微小通道扁管的成形尺寸与材料参数㊀㊀3003Al-H14薄壁微小通道扁管的横截面存在 筋 与孔,孔的个数m通常很多㊂横截面宽度l远大于高度h,因此呈现扁状㊂管材壁厚t极薄,通常情况下tɤ0.8mm㊂如图1所示,薄壁微小通道扁管的成形尺寸参图1㊀3003Al-H14薄壁微小通道扁管的成形尺寸示意图Fig.1㊀The geometric dimensions of the3003Al-H14thin-walled micro-channel flat tube662㊀第3期程传峰等:3003Al-H14薄壁微小通道扁管波形冲压成形尺寸对截面变形的作用规律数还包括:横截面孔的内径宽度w ,纵截面总长L ,内弯曲面波形半径r (至弯曲中性层),与外弯曲面波形半径R (至弯曲中性层),参数值如表1所示㊂表1㊀3003Al-H14薄壁微小通道扁管的成形尺寸参数值Table 1㊀The geometric dimensions values of the 3003Al-H 14thin-walled micro-channel flat tubeForming sizeValue Cross section width l /mm59.1Cross section height h /mm2.5Wall thickness of tube blank t /mm0.3Inner width of single hole w /mm1.8Number of holes m28Total length of longitudinal section L /mm 100Wave radius of inner curved surface r /mm6Wave radius of outer curved surface R /mm102.2㊀3003Al -H14微小通道薄壁扁管的材料本构模型为了获得材料的应力-应变曲线,将3003Al-H14薄壁微小通道扁管沿横截面宽度方向切割为完全相同的3部分,分别作为拉伸试样进行了拉伸实验㊂实验按照国标GB /T 228.1 2010‘金属材料室温拉伸试验方法“进行,拉伸速度设置为1mm /min㊂拉伸后的试样断裂状态如图2所示㊂图2㊀3003Al-H14薄壁微小通道扁管拉伸断裂试样照片Fig.2㊀Fracture state of the tensile specimen of the 3003Al-H14thin-walled micro-channel flat tube拉伸实验获得的真应力-应变曲线如图3所示,材料力学性能参数如表2所示㊂图3㊀3003Al-H14微小通道扁管拉伸真应力-应变曲线Fig.3㊀The ture stress-strain curve of the tensile test of the 3003Al-H14micro-channel flat tube表2㊀3003Al-H14薄壁微小通道扁管的材料力学性能参数Table 2㊀Material mechanical performance parameters of 3003Al-H 14thin-walled micro-channel flat tubeMaterial parametersValueMaterial 3003Al-H14Poisson s ratio0.28Density /(kg /m 3)2730Elastic modulus /GPa12.54Initial yield strength /MPa34.36Tensile strength /MPa141.03Elongation /%38.74Material parameters A /MPa49.930Material parameters K /MPa 152.826Material parameters n0.472采用各向同性硬化模型描述3003Al-H14材料的应力应变关系㊂其屈服条件f 如公式(1)所示:f =32s ʒs -(A +Kεp n )=0(1)其中,s 为偏应力,εp 为等效塑性应变,硬化参数A ㊁K 和n 的取值来自图3中应力应变曲线拟合,结果如表2所示㊂2.3㊀3003Al -H14薄壁微小通道扁管的波形冲压-回弹有限元模型㊀㊀所有的截面变形数据都取自回弹发生之后,所以建立了3003Al-H14微小通道薄壁扁管的波形冲压-回弹有限元模型㊂该模型包括冲压成形和回弹2步,分别采用动态显示算法和静态隐式算法,如图4所示㊂冲压过程的结构包括上模㊁下模和扁管这3部分,如图4a 所示㊂扁管与上模接触的成形面为内弯曲面,与下模接触的成形面为外弯曲面㊂扁管与上㊁下模之间的摩擦条件,均为机械油润滑㊂扁管的网格采用S4R 壳单元㊂采用3003Al-H14薄壁微小通道扁管的波形冲压实验验证所建有限元模型的可靠性㊂模拟边界条件设置和实验条件对比如表3所示㊂图5对比了模拟和实验获得的薄壁微小通道扁管波形冲压件㊂由图5a 和5b 可知,所建立的有限元模型可以准确模拟管坯横㊁纵截面的起皱状态㊁截面变形状态㊂图5c 对比了某一特定纵截面上的截面变形率预测情况与实验数据,发现有限元模拟的平均预测误差为16.82%,最大预测误差为24.32%,均在合理误差范围内㊂综上,认为所建3003Al-H14薄壁微小通道扁管的波形冲压-回弹有限元模型能够较为可靠地预测扁管冲压过程中的截面变形㊂762中国材料进展第43卷图4㊀薄壁微小通道扁管波形冲压-回弹有限元模型:(a)冲压过程,(b)回弹过程Fig.4㊀The finite element model of corrugated stamping-springbackprocesses of thin-walled micro-channel flat tube:(a)stamping process,(b)springbackprocess图5㊀薄壁微小通道扁管波形冲压的实验和模拟结果对比:(a)实验截面变形状态,(b)模拟截面变形状态,(c)代表纵截面PC 上截面变形率的模拟预测值和实验值对比Fig.5㊀Comparisons of experimental and simulative results of corrugatedstamping of thin-walled micro-channel flat tubes:(a)experi-mental wrinkle state,(b)simulative wrinkle state,(c)compar-ison of the simulative and experimental values of the cross-section deformation rate on the representative longitudinal section PC表3㊀模拟条件设置和实验条件对比Table 3㊀Comparisons of simulative and experimental conditionsBoundary conditionsSimulation ExperimentCoefficient of friction between upper die and tube blank0.09Mechanical oil lubricationCoefficient of friction between lower die and tube blank0.09Mechanical oil lubricationStamping speed /(mm /s)9.5~30.5Fast Stamping time /s113㊀3003Al -H14薄壁微小通道扁管波形冲压的截面变形描述及模拟研究条件㊀㊀本研究中截面变形量(率)的取值来自两横㊁两纵四条代表截面,其位置和截面上的节点编号如图6所示㊂可以看到代表横截面PP 1是波峰横截面,CC 1是波谷横截面;代表纵截面PC 是位于边缘孔对称线上的纵截面,P 1C 1是位于中央孔对称线上的纵截面㊂由于肋板的截面变形量非常小,因此横㊁纵截面上代表节点i 的选取皆对应于各孔的对称线,如图6所示㊂截面变形率δh 和平均截面变形率δh 的计算公式为:δh =Δhh ˑ100%=h -h 1hˑ100%(2)δh =1kðk i =1(δh )i㊀i =1,2 k(3)其中,Δh 为截面变形量,h 1为微小通道薄壁波形扁管冲压成形后的截面高度,i 为代表截面上的节点编号㊂图6㊀代表横截面PP 1㊁CC 1和代表纵截面PC㊁P 1C 1的截面位置,及其截面上的节点编号顺序Fig.6㊀The representative cross sections PP 1,CC 1and the representa-tive longitudinal sections PC,P 1C 1,and the node numbersequence on the sections为了揭示3003Al-H14薄壁微小通道扁管波形冲压的成形尺寸-截面变形作用规律,结合实际生产中所需扁管的成形尺寸,设置模拟研究范围如表4所示㊂表4中的基础值是1.3节中的实验设置值,也是模拟研究的基础862㊀第3期程传峰等:3003Al-H14薄壁微小通道扁管波形冲压成形尺寸对截面变形的作用规律数据㊂成形尺寸包括截面高度h ㊁管坯壁厚t ㊁内弯曲面波形半径r ,以及内㊁外面相对弯曲半径r /R 的同步缩放系数β㊂其中β的含义如式(4):r R =10㊃β6㊃β(4)表4㊀模拟研究成形尺寸值Table 4㊀The geometric dimensions values of the 3003Al-H 14micro-channel thin-walled flat tubeForming sizes Base valueValue settingh /mm 2.51,2.5,4,7,10t /mm 0.30.1,0.3,0.5,0.7,0.9R =6,r /mm103,6,10,12,24r /R =10mm /6mm,β10.5,1,2,44㊀结果与讨论4.1㊀3003Al -H14薄壁微小通道扁管波形冲压的截面变形分布特征㊀㊀图7给出了使用表4基础模拟研究数据的情况下,薄壁微小通道扁管的截面变形率分布情况㊂从图7可以看出:①代表横截面PP 1(波峰)和CC 1(波谷)的截面变形率δh 分布趋势完全一致,边缘孔的变形最为严重,其它孔的变形率相对较小且基本一致㊂②代表纵截面PC (边缘孔纵截面)和P 1C 1(中央孔纵截面)的截面变形率δh 分布趋势完全一致,呈现两端点高㊁中央段低的波动分布趋势㊂以上说明,薄壁微小通道扁管的截面变形情况复杂,横㊁纵截面变形分布规律差异较大㊂由于横截面PP 1的平均截面变形率要高于CC 1,纵截面PC 的平均截面变形率要高于P 1C 1,因此将PP 1和PC 截面作为后续研究对象㊂图7㊀代表横截面PP 1㊁CC 1和代表纵截面PC㊁P 1C 1的截面变形率Fig.7㊀Distributions of the section deformation rate of the representa-tive cross sections PP 1,CC 1and the representative longitudi-nal sections PC,P 1C 14.2㊀截面高度对截面变形率的作用规律图8a 给出了不同截面高度h 下的波峰横截面变形情况㊂可以看出当横截面的宽度不变时,h 值越大,横截面的中空度越高,截面刚度越差,因而变形程度越大㊂当h 达到2.5mm 时,由于筋的折弯并不显著,整体横截面尚能保持一定的形状精度,但边缘孔率先出现了较为显著的截面塌陷,这是由于边缘孔的材料流动较之其它孔要自由㊂而当h =4mm 时,筋发生显著的弯折,导致整体横截面塌陷严重㊂当h =7mm 时,孔的截面刚度进一步变差,筋的弯折加剧,整体的横截面塌陷也愈加严重,如图8a 和8b 所示㊂图8㊀不同截面高度(h )下扁管截面变形情况:(a)不同h 下的波峰横截面对比图,(b)h =7mm 时的扁管截面变形图Fig.8㊀Sectional deformation of flat tubewith different section heights(h ):(a)comparison of cross-sections of wave crests with dif-ferent h ,(b)cross-section deformation of flat tube with h =7mm图9分析了PP 1和PC 截面上,截面变形率δh 的分布特征,以及平均截面变形率δh 随h 的变化趋势㊂结合图8a 和图9a 可知,除了边缘孔外,波峰横截面上所有孔的截面变形较为均匀一致㊂h ȡ4mm 时,孔的变形程度显著增大,且四分之一横截面处的孔呈现最大的塌陷㊂由图9b 可知,扁管纵截面上的δh 呈波峰和波谷两端点高㊁中间低的分布趋势㊂由图9c 可知,对于波峰横截面,平均截面变形率δh 随h 先减小后增大,最佳h =2.5mm,此时δh =9.31%;而对于边缘孔纵截面,δh 随h 增大而增大,当h ȡ4mm 时,这种增大趋势变得缓慢,最佳h =1mm,此时δh =3.33%㊂综上,在波峰截面上,δh 随h 先降低后增大,最佳h =2.5mm㊂在边缘孔纵截面上,δh 随h 增大而增大,最佳截面高度h =1mm㊂h ȡ4mm 时,扁管内的筋显著弯折,且横截面塌陷严重㊂4.3㊀壁厚尺寸对截面变形率的作用规律图10分析了不同管壁厚度t 下,PP 1和PC 截面上截962中国材料进展第43卷图9㊀不同截面高度(h)下的扁管截面变形率(δh)分布和平均截面变形率(δh)变化趋势:(a)PP1截面的δh分布,(b)PC截面的δh分布,(c)PP1和PC截面的δh随h的变化趋势Fig.9㊀The section deformation rate(δh)distributions and average section deformation rate(δh)varation trends of flat tubes withdifferent heights(h):(a)δh distribution of PP1section,(b)δh distribution of PC section,(c)δh variation trends ofPP1and PC sections with h面变形率δh的分布特征,以及平均截面变形率δh随t的变化趋势㊂由图10a和10b可知,PP1和PC截面上的δh 分布特征同图9a和9b中的基本一致,即波峰横截面上孔的变形较为均匀,而边缘孔纵截面的截面变形率呈现波峰和波谷端较高㊁中间段较低的分布特征㊂由图10c可知,随着t的增大,δh呈指数函数下降趋势㊂由于扁管的h保持不变,即h=2.5mm,因此t越大,横截面特征越趋向板材,进而导致平均截面变形程度越低㊂图10㊀不同管壁厚度(t)下的扁管截面变形率(δh)分布和平均截面变形率(δh)变化趋势:(a)PP1截面的δh分布,(b)PC截面的δh分布,(c)PP1和PC截面的δh随t的变化趋势Fig.10㊀The section deformation rate(δh)distributions and average section deformation rate(δh)variation trends of flat tubeswith different wall thicknesses(t):(a)δh distribution ofPP1section,(b)δh distribution of PC section,(c)δh vari-ation trends of PP1and PC sections with t072㊀第3期程传峰等:3003Al-H14薄壁微小通道扁管波形冲压成形尺寸对截面变形的作用规律t =0.1mm 时,管材壁厚极薄,截面刚度不足以支撑波形冲压成形,因此所有截面都会产生严重的变形,最大截面变形率甚至能达到78%㊂而当t 增大至0.3mm 时,薄壁微小通道扁管的最大截面变形率降至24.71%㊂当t =0.9mm 时,PP 1横截面上的最大截面变形率只有3.99%,平均截面变形率δh =2.98%;PC 纵截面上的最大截面变形率只有3.17%,平均截面变形率δh =3.17%㊂综上,随着t 的增大,扁管的截面特征趋向板材,δh 呈指数函数下降趋势㊂t =0.1mm 时,截面刚度过低,所有截面都会产生严重的畸变,最大截面变形率甚至能达到78%㊂而当t ȡ0.3mm 时,薄壁微小通道扁管的最大截面变形率降至24.71%,且随着t 的增大,δh 下降趋势变缓,并最终趋向稳定临界值㊂4.4㊀内外面相对弯曲半径对截面变形率的作用规律图11给出了外弯曲面波形半径R =6mm 的情况下,内弯曲面波形半径r 对平均截面变形率δh 的作用规律㊂可以看到,波峰横截面PP 1和边缘孔纵截面PC 这两条曲线的变化趋势完全不同㊂边缘孔纵截面PC 的δh 随r 增大呈指数下降趋势,最佳成形尺寸r =24mm,此时δh =4.82%㊂这是因为r 越大,内弯曲面的相对弯曲程度越小,因而纵截面的变形程度也越小㊂但r 越大,又意味着冲压深度越大,必然导致横截面的变形程度增大㊂因此,在冲压深度和内弯曲面相对弯曲程度的双重影响下,波谷横截面PP 1的δh 随r 的变化呈现先下降后增大的复杂趋势㊂但整体波动幅度较小,可以采用直线拟合其变化趋势,最佳成形尺寸r =12mm,此时δh =9.17%㊂图11㊀不同内弯曲面波形半径r 下的平均截面变形率δh 变化趋势Fig.11㊀Variation trends of average section deformation rate δh withwave radius r of inner curved surface图12a 给出了r /R =10mm /6mm 时,同步缩放系数β对平均截面变形率δh 的作用规律㊂可以看到波峰横截面PP 1和边缘孔纵截面PC 这2条曲线的变化趋势基本相同,即δh 随β呈指数函数下降趋势㊂图12b 对比了不同β下的波峰横截面变形程度,可以看到随着β的增大,截面变形程度显著变小㊂β越大,内㊁外弯曲面相对弯曲程度越低,因而横㊁纵截面的变形程度越低㊂最佳缩放系数β=4,此时成形尺寸r /R =40mm /24mm,波峰横截面δh =2.04%,边缘孔纵截面δh =1.75%㊂图12㊀r /R =10/6时,平均截面变形率(δh )随同步缩放系数(β)的变化趋势:(a)PP 1和PC 截面的δh 随β的变化趋势,(b)不同β下的波峰横截面对比Fig.12㊀Variation trends of average section deformation rate (δh )withsynchronous zoom factor (β),when r /R =10/6:(a)δh varia-tion trends of PP 1and PC sections with β,(b)comparison of cross-sections of wave crests with different β综上,内外面相对弯曲半径r /R 对截面变形率δh 的作用规律与内㊁外弯曲面的弯曲程度存在关联一致性,弯曲程度越小,δh 越小㊂但是当R 保持不变㊁r 发生变化的时候,波峰横截面的变形程度还要考虑冲压深度的影响㊂5㊀结㊀论建立了3003Al-H14薄壁微小通道扁管的波形冲压成形-回弹有限元模型,分析过程包括冲压过程和回弹过程,结构包括上模㊁下模和微小通道薄壁扁管3部分㊂从截面变形预测的角度验证了所建有限元模型的可靠性㊂基于所建模型,研究了成形尺寸对截面变形率δh 和平均172中国材料进展第43卷截面变形率δh的作用规律㊂成形尺寸包括截面高度h㊁管坯壁厚t㊁内弯曲面波形半径r,以及内外面相对弯曲半径r/R的同步缩放系数β㊂通过研究得出以下结论: (1)薄壁微小通道扁管的截面变形情况复杂,横㊁纵截面呈现完全不同的截面变形分布趋势㊂波峰横截面和波谷横截面的截面变形情况基本一致,即:边缘孔的截面变形量通常较大,其余孔的截面变形相对较小且基本一致㊂边缘孔纵截面和中央孔纵截面的截面变形率分布趋势基本一致,呈现波峰㊁波谷高,中间段低的波动特点㊂(2)在波峰横截面上,δh随h先降低后增大,最佳h=2.5mm㊂在边缘孔纵截面上,δh随h增大而增大,最佳h=1mm㊂横截面宽度不变时,h越大,扁管的截面刚度越差,当hȡ4mm时,扁管内的筋出现了显著弯折现象,且横截面塌陷严重㊂(3)随着t的增大,扁管的横截面特征趋向板材,δh呈指数下降趋势㊂t=0.1mm时,截面刚度过低,所有截面都会产生严重的畸变,最大截面变形率甚至能达到78%㊂而当tȡ0.3mm时,最大截面变形率下降至24.71%㊂(4)R保持不变时,r越大,内弯曲面的相对弯曲程度越小,冲压深度越大,因此波峰横截面的δh随r先减小后增大,但整体波动幅度较小㊂而边缘孔纵截面的δh 随r呈指数下降趋势,最佳成形尺寸r=24mm㊂r/R保持不变时,波峰横截面和波谷横截面的δh均随β呈指数下降趋势,最佳β=4,此时成形尺寸r/R=40mm/24mm㊂参考文献㊀References[1]㊀吴克兵.科技创新与应用[J],2018,238(18):91-92.WU K B.Technology Innovation and Application[J],2018,238(18):91-92.[2]㊀王新泽.科技创新导报[J],2018,15(3):23-24.WANG X Z.Science and Technology Innovation Herald[J],2018,15(3):23-24.[3]㊀方文利,唐鼎,李大永,等.塑性工程学报[J],2015,22(1):12-17.FANG W L,TANG D,LI D Y,et al.Journal of Plasticity Engineering [J],2015,22(1):12-17.[4]㊀张志伟,张卿卿,唐鼎,等.塑性工程学报[J],2011,18(4):106-111.ZHANG Z W,ZHANG Q Q,TANG D,et al.Journal of Plasticity En-gineering[J],2011,18(4):106-111.[5]㊀伍波,李龙,周德敬.轻合金加工技术[J],2016,44(2):9-15.WU B,LI L,ZHOU D J.Light Alloy Fabrication Technology[J], 2016,44(2):9-15.[6]㊀葛洋,姜未汀.化工进展[J],2016,35:10-15.GE Y,JIANG W D.Chemical Industry and Engineering Progress[J], 2016,35:10-15.[7]㊀SHARMA J P,SHARMA A,JILTE R D,et al.Journal of Thermal A-nalysis and Calorimetry[J],2020,140:1-32.[8]㊀曹磊.电动汽车电池热管理中的温度控制及优化[D].北京:北京工业大学,2019.CAO L.Temperature Control and Optimization of Battery 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形核功：要形成一个临界晶核，必须获得像△G*这样一部分能量，所以称△G*为临界形核功，简称形核功。

晶胚：液态金属中，时聚时散的小晶团称为晶胚临界晶核：在r＝r*时，粒子处于临界状态，因此半径r*的晶核叫做临界晶核。

动态过冷度：能保证凝固速度大于熔化速度的过冷度称为动态过冷度。

粗糙界面：在固、液两相之间的界面以微观来看是高低不平的，存在几个原子层厚度的过渡层，在过渡层中约有半数的位置为固相原子所占据。

光滑表面：在光滑界面以上为液相，以下为固相，液、固两相截然分开，固相的表面为基本完整的原子.伪共晶：不是共晶成分的合金而得到完全共晶的组织叫伪共晶。

不平衡共晶：在不平衡凝固条件下，合金冷却到共晶温度以下时仍有少量液体存在，剩余液相的成分达到共晶成分而发生共晶转变，由此产生不平衡共晶。

离异共晶：在先共晶相数量较多，而共晶体数量甚少的情况下，共晶体中与先共晶相相同的那一相将依附于已有的粗大先共晶相长大，并把先共晶体中的另一部分推向最后凝固的边界处，从而使共晶组织的特征消失，这种两相分离的共晶称为离异共晶。

反应扩散：通过扩散而产生新相的现象被称为反应扩散成分过冷：固溶体结晶时，尽管实际温度分布不变，但液固界面前沿液相中溶质分布发生变化，液相的熔点也随着变化，这种由于液相成分改变而形成的过冷称为成分过冷。

平衡分配系数：达到平衡时，固相线成分也液相线成分之比。

区域熔炼：对于k＜1的合金，溶质富集于末端，始端得到提纯，对于k＞1合金，溶质富集于始端，末端得到提纯。

（利用稳态凝固产生宏观偏析的原理进行金属提炼的办法）有效分配系数：结晶过程中固体在相界处的浓度和此时余下液体的平均浓度之比。

直线法则：在一定温度下，三元合金两相平衡合金的成分点和两个平衡相的成分点必然位于成分三角形内的同一条直线上，这一规律称为直线法则。

重心法则：当三元合金在一定温度下处于三相平衡时，合金的成分点为3个平衡相的成分点组成的三角形的质量重心，由此称之为重心定律。

固体材料的变形与断裂主讲人：张立斌第五章固体材料的变形与断裂5.1 弹性变形5.2 单晶体的塑性变形5.3 多晶体的塑性变形5.4 塑性变形对金属组织与性能的影响5.5 金属及合金强化的位错解释5.6 断裂第五章固体材料的变形与断裂5.1 弹性变形 材料的变形方式主要由三种，分别为：弹性变形、塑性变形和粘性变形。

金属材料多为前两种变形，而有些高分子材料可能发生第三种变形。

1、材料的变形方式： 2、弹性变形： G E G E ）（或νγτεσ+===12切变模量—杨氏模量—泊桑比—切应变—正应变—切应力—正应力—G E νγετσE 或G 表示使原子离开平衡位置的难易程度，只取决于晶体的原子结合本性，而与晶粒大小以及组织变化无关，属于组织不敏感性质参数。

E （G ）共价键材料>E （G ）金属（离子）键材料>E （G ）分子键材料)(γτεσG E ==或第五章固体材料的变形与断裂2、弹性变形： 滞弹性时，应力应变曲线所包围的面积表示应力循环一周所消耗的能量，叫内耗。

2.1、完全弹性体： 应变随着应力瞬时达到平衡值，而与时间无关； 2.2、滞弹性： 在弹性范围内，载荷变化时，应变随时间逐渐达到平衡值，即与时间有关： 2.3、内耗： 5.1 弹性变形第五章固体 材料的变 形与断裂5.2 单晶体的塑性变形 1、单晶体塑性变形的方式：常温下有三种：滑移、孪生、扭折；晶体的一部分相对另一部分 沿着一定晶面和晶向的运动。

2、滑移：试样表面出现的滑移变形的痕迹，它是由相互平行的滑移线组成；而滑移线又是由微小的滑移台阶造成的。

3、滑移带 高温下还有扩散蠕变、晶界滑动。

第五章固体材料的变形与断裂5.2 单晶体的塑性变形 位错运动所受的阻力即派纳力为 )1(212νπντ---=b a p e G 4、滑移系 式中：G —切变模量，ν—泊桑比，a —晶面间距，b —原子间距。

晶体内一个滑移面和滑移面上的一个滑移方向组成了滑移系 2X=3<11 0> N=3{0001} M=1密排六方X=12<110> N=3{111} M=4面心立方X=12<111> N=2{110} M=6体心立方滑移系数目（X ）密排方向及数量（N ）密排面及数量（M ）典型晶体N M X 目每个面上的滑移方向数晶体的密排面数目晶体的滑移系数目⨯=第五章固 体材 料的变形与断裂5.2 单晶体的塑性变形 5、滑移系与塑性的关系：滑移系多，塑性好； 6、临界分切应力c τФ λ P n 滑移方向 A 刚好使滑移开始进行的切应力叫临界分切应力 c τ P 在滑移方向上的分力为Pcosλ， 滑移面为一个椭圆其面积为 φφππcos cos 442A a ab S ===， 则切应力为φλσφλλτcos cos cos cos cos ===A PS P第五章固 体材料的变形与断裂5.2 单晶体的塑性变形 φλτσcos cos c s =6、临界分切应力c τc τs σσ=当 时，对应的切应力达到临界分切应力 c τ与材料的属性及温度等有关，当条件一定时， c τ为定值。

2004年西北工业大学硕士研究生入学试题一、简答题：（共40分，每小题8分）1、请简述间隙固溶体、间隙相、间隙化合物的异同点？2、请简述影响扩散的主要因素有哪些。

3、临界晶核的物理意义是什么？形成临界晶核的充分条件是什么？4、有哪些因素影响形成非晶态金属？为什么？5、合金强化途径有哪些？各有什么特点？二、计算、作图题：（共60分，每小题12分）1、求]111[和]120[两晶向所决定的晶面，并绘图表示出来。

2、氧化镁（MgO ）具有NaCl 型结构，即具有O 2-离子的面心立方结构。

问：（1） 若其离子半径+2Mg r =0.066nm ，-2O r ＝0.140nm ，则其原子堆积密度为多少？（2） 如果+2Mg r /-2O r ＝0.41，则原子堆积密度是否改变？3、已知液态纯镍在1.013×105 Pa （1大气压），过冷度为319 K 时发生均匀形核，设临界晶核半径为1nm ，纯镍熔点为1726 K ，熔化热ΔH m ＝18075J/mol ，摩尔体积V s ＝6.6cm 3/mol ，试计算纯镍的液－固界面能和临界形核功。

4、图示为Pb-Sn-Bi 相图投影图。

问：（1）写出合金Q （w Bi ＝0.7，w Sn ＝0.2）凝固过程及室温组织；（2）计算合金室温下组织组成物的相对含量。

5、有一钢丝（直径为1mm ）包复一层铜（总直径为2mm ）。

若已知钢的屈服强度σst ＝280MPa ，弹性模量E st ＝205GPa ，铜的σCu ＝140MPa ，弹性模量E Cu ＝110GPa 。

问：（1）如果该复合材料受到拉力，何种材料先屈服？（2）在不发生塑性变形的情况下，该材料能承受的最大拉伸载荷是多少？（3）该复合材料的弹性模量为多少？三、综合分析题：（共50分，每小题25分）1、某面心立方晶体的可动滑移系为]101[ )111(、。

（1） 请指出引起滑移的单位位错的柏氏矢量；（2） 若滑移由刃位错引起，试指出位错线的方向；（3） 请指出在（2）的情况下，位错线的运动方向；（4） 假设在该滑移系上作用一大小为0.7MPa 的切应力，试计算单位刃位错线受力的大小和方向（取点阵常数为a ＝0.2nm ）。