院士領(lǐng)銜策劃——鋁合金薄壁構(gòu)件超低溫成形制造新原理丨JME特邀專欄

專欄導(dǎo)讀

鋁合金是運(yùn)載火箭、軍用飛機(jī)、衛(wèi)星和空間站等高端裝備的主體結(jié)構(gòu)材料，質(zhì)量占比50%以上。新一代裝備向輕量化、大承載、高可靠發(fā)展，迫切需求高強(qiáng)鋁合金（鋁鋰合金）整體結(jié)構(gòu)薄壁件。然而，高強(qiáng)鋁合金常溫塑性低、硬化弱，極易發(fā)生破裂等缺陷，成為制約整體成形的國(guó)際難題。鋁合金整體薄壁件制造是發(fā)展新一代航空航天裝備必須突破的核心關(guān)鍵技術(shù)，也是國(guó)際高新技術(shù)和國(guó)防制造技術(shù)的競(jìng)爭(zhēng)前沿。美國(guó)NASA、歐空局等宇航研發(fā)機(jī)構(gòu)均投入巨額資金，但始終未取得實(shí)質(zhì)性突破。

我國(guó)學(xué)者首先發(fā)現(xiàn)，鋁合金等面心晶體結(jié)構(gòu)金屬在超低溫條件下不僅未冷脆，還出現(xiàn)反常的延伸率與硬化指數(shù)同時(shí)提高的“雙增效應(yīng)”，有利于突破整體薄壁件成形的瓶頸難題。通過(guò)揭示超低溫下雙增效應(yīng)的物理機(jī)制，建立超低溫成形變革性技術(shù)體系，將發(fā)展出與現(xiàn)有冷成形、熱成形并列的第三大類成形制造技術(shù)，解決航天航空高端裝備對(duì)輕質(zhì)高強(qiáng)金屬整體結(jié)構(gòu)的需求難題，推動(dòng)運(yùn)載火箭、大型飛機(jī)、衛(wèi)星、高鐵等國(guó)之重器的發(fā)展，使我國(guó)在金屬整體結(jié)構(gòu)高性能制造領(lǐng)域處于世界領(lǐng)先地位。

為此，《機(jī)械工程學(xué)報(bào)》編輯部與客座編輯團(tuán)隊(duì)聯(lián)合策劃出版“鋁合金薄壁構(gòu)件超低溫成形制造新原理”專欄。專欄共收錄論文12篇，已于《機(jī)械工程學(xué)報(bào)》2025年14期正式出版。

客座專家團(tuán)隊(duì)

客座主編：

苑世劍，中國(guó)工程院院士，哈爾濱工業(yè)大學(xué)教授。我國(guó)金屬塑性成形領(lǐng)域?qū)＜?，?chuàng)建流體成形應(yīng)力場(chǎng)調(diào)控理論、工藝和裝備一體化技術(shù)，成功應(yīng)用于火箭、飛機(jī)和航空發(fā)動(dòng)機(jī)等重大裝備的研制和生產(chǎn)，并廣泛應(yīng)用于自主品牌轎車關(guān)鍵構(gòu)件的批量生產(chǎn)。

客座編輯：

劉偉，哈爾濱工業(yè)大學(xué)教授，變革性技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)專項(xiàng)項(xiàng)目負(fù)責(zé)人。主要研究板材液壓成形、鋁合金超低溫成形等，發(fā)表論文60余篇，獲授權(quán)專利10余項(xiàng)，研究成果在火箭、飛機(jī)等裝備中獲得應(yīng)用。

易幼平，中南大學(xué)教授。長(zhǎng)期從事輕質(zhì)合金構(gòu)件高性能成形制造方法與應(yīng)用研究，主要研究輕質(zhì)合金大型高性能構(gòu)件精確制造需求，研究構(gòu)件成形全過(guò)程材料微結(jié)構(gòu)演化規(guī)律與調(diào)控方法，開發(fā)先進(jìn)輕質(zhì)合金構(gòu)件形性協(xié)同制造關(guān)鍵工藝。

李淑慧，上海交通大學(xué)教授。主要從事板材塑性成形理論與先進(jìn)成形工藝研究。主持國(guó)家優(yōu)秀青年科學(xué)基金、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃課題。出版專著2部，發(fā)表SCI/EI論文140余篇，授權(quán)發(fā)明專利20余項(xiàng)、制訂國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)1項(xiàng)。

凡曉波，大連理工大學(xué)研究員。國(guó)家“萬(wàn)人計(jì)劃”青年拔尖人才。研究大型構(gòu)件超低溫智能成形等。在機(jī)械著名期刊Int J Mach Tech Manu等發(fā)表論文40余篇；多次受邀做主旨/特邀報(bào)告；授權(quán)發(fā)明專利20余項(xiàng)；獲國(guó)家技術(shù)發(fā)明二等獎(jiǎng)1項(xiàng)。

01

高強(qiáng)鋁合金薄壁構(gòu)件超低溫成形制造研究進(jìn)展

引用格式:劉偉, 程旺軍, 苑世劍. 高強(qiáng)鋁合金薄壁構(gòu)件超低溫成形制造研究進(jìn)展[J]. 機(jī)械工程學(xué)報(bào), 2025, 61(14): 1-19.

論文摘要：

新概念、長(zhǎng)壽命、可重復(fù)使用航空航天器對(duì)傳統(tǒng)高強(qiáng)鋁合金薄壁構(gòu)件的制造工藝和服役性能提出更高要求，如何實(shí)現(xiàn)該類復(fù)雜構(gòu)件的高性能成形制造是當(dāng)前亟待解決的難題。分析高強(qiáng)鋁合金薄壁件整體成形技術(shù)存在的巨大挑戰(zhàn)，在發(fā)現(xiàn)鋁合金超低溫“雙增效應(yīng)”的基礎(chǔ)上，概述高強(qiáng)鋁合金超低溫成形技術(shù)的提出背景，綜述分析近年來(lái)國(guó)內(nèi)外學(xué)者在鋁合金超低溫變形雙增效應(yīng)與微觀機(jī)制、超低溫宏微觀變形原位測(cè)試方法、超低溫成形工藝與關(guān)鍵技術(shù)、超低溫成形裝備與典型應(yīng)用等方面的研究進(jìn)展，展望鋁合金超低溫成形技術(shù)未來(lái)的發(fā)展方向，為制造高性能航空航天器、電動(dòng)汽車以及新能源儲(chǔ)運(yùn)裝備等鋁合金整體復(fù)雜曲面構(gòu)件提供新途徑。

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02

2060鋁鋰合金超低溫變形行為與復(fù)雜薄壁件拉深成形工藝研究

引用格式:董非, 易幼平, 黃始全, 何海林. 2060鋁鋰合金超低溫變形行為與復(fù)雜薄壁件拉深成形工藝研究[J]. 機(jī)械工程學(xué)報(bào), 2025, 61(14): 20-28.

論文摘要：

針對(duì)鋁鋰合金復(fù)雜形狀薄壁構(gòu)件成形易開裂與性能損失突出問(wèn)題，研究鋁鋰合金薄壁件超低溫成形方法。發(fā)現(xiàn)成形溫度由25 ℃降低至-196 ℃，2060鋁鋰合金塑性提升幅度超55%，微觀組織觀察表明超低溫成形抑制了位錯(cuò)動(dòng)態(tài)回復(fù)，提高了材料加工硬化能力，實(shí)現(xiàn)均勻塑性變形。相較于退火態(tài)合金，固溶淬火態(tài)合金具有更優(yōu)超低溫塑性，該現(xiàn)象歸因于固溶淬火使合金中第二相溶入鋁基體，抑制第二相引發(fā)的局部變形，促進(jìn)變形帶組織形成，提升變形后期加工硬化能力。通過(guò)超低溫拉深成形實(shí)現(xiàn)了2060合金飛機(jī)艙門盆形樣件一次成形，最大成形深度98 mm，對(duì)固溶淬火態(tài)合金超低溫成形的構(gòu)件進(jìn)行時(shí)效處理，可實(shí)現(xiàn)優(yōu)異的強(qiáng)塑性與疲勞性能匹配，本研究為航空鋁鋰合金復(fù)雜薄壁件形性協(xié)同制造提供了新方法。

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03

6系鋁合金復(fù)雜車身構(gòu)件超低溫成形研究

引用格式:韓國(guó)豐, 戚宇彤, 顧彬, 李淑慧, 何霽, 黃輝. 6系鋁合金復(fù)雜車身構(gòu)件超低溫成形研究[J]. 機(jī)械工程學(xué)報(bào), 2025, 61(14): 29-35.

論文摘要：

針對(duì)當(dāng)前鋁合金超低溫成形技術(shù)研究中構(gòu)件形狀簡(jiǎn)單和較少關(guān)注尺寸精度的問(wèn)題，建立復(fù)雜車身構(gòu)件超低溫成形工藝研究平臺(tái)，并進(jìn)行了鋁合金AA6111-T4構(gòu)件的超低溫成形研究，在成形性、尺寸精度和力學(xué)性能三個(gè)方面將超低溫成形構(gòu)件與室溫成形構(gòu)件進(jìn)行對(duì)比。研究結(jié)果表明超低溫成形技術(shù)可在不改變構(gòu)件力學(xué)性能的前提下實(shí)現(xiàn)更高的壁厚均勻性，證明了其成形復(fù)雜形狀零部件的優(yōu)勢(shì)和能力，這是材料超低溫變形條件下應(yīng)變硬化指數(shù)升高導(dǎo)致的。然而，也同時(shí)發(fā)現(xiàn)鋁合金超低溫成形構(gòu)件存在回彈量大的現(xiàn)象，這可能和超低溫下材料強(qiáng)度較高有關(guān)，未來(lái)需進(jìn)一步發(fā)展相應(yīng)的回彈預(yù)測(cè)和調(diào)控方法。研究結(jié)果有望促進(jìn)鋁合金超低溫成形技術(shù)在車身復(fù)雜薄壁構(gòu)件制造中的研究和應(yīng)用。

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04

鋁合金深腔超薄箱底超低溫凈成形及性能調(diào)控

引用格式: 凡曉波, 楊光, 鄔方興, 關(guān)陽(yáng). 鋁合金深腔超薄箱底超低溫凈成形及性能調(diào)控[J]. 機(jī)械工程學(xué)報(bào), 2025, 61(14): 36-44.

論文摘要：

鋁合金是運(yùn)載火箭的主體結(jié)構(gòu)材料，箱底受力最復(fù)雜，是箭體結(jié)構(gòu)制造的“皇冠”。鋁合金超薄箱底整體成形起皺和開裂缺陷并存，始終是未得到實(shí)質(zhì)性突破的國(guó)際難題。為此，以運(yùn)載火箭燃料貯箱2250整體箱底為研究對(duì)象，通過(guò)數(shù)值模擬闡明超薄箱底整體成形應(yīng)力應(yīng)變演變規(guī)律；針對(duì)傳統(tǒng)技術(shù)存在易開裂、起皺和組織性能難調(diào)控的挑戰(zhàn)，基于固溶態(tài)鋁合金在超低溫條件下延伸率與硬化同時(shí)提高的“雙增效應(yīng)”，提出薄壁結(jié)構(gòu)超低溫成形應(yīng)力與性能協(xié)同調(diào)控原理，通過(guò)超低溫梯度冷卻調(diào)控應(yīng)力分布，降低開裂風(fēng)險(xiǎn)，提高位錯(cuò)與亞結(jié)構(gòu)密度，實(shí)現(xiàn)箱底變形均勻性與性能調(diào)控；研發(fā)出鋁合金薄壁構(gòu)件超低溫成形裝備，平臺(tái)尺寸3 m、最大成形力22 MN、最低溫度-190 ℃，具備全尺寸構(gòu)件研發(fā)與制造能力；開展新一代運(yùn)載火箭整體超薄箱底超低溫成形工藝研究，采用初始壁厚4.0 mm的薄板直接成形出直徑2 250 mm的貯箱整體箱底，厚徑比突破至1.4‰，壁厚均差率僅為6.5%，力學(xué)性能達(dá)到2219鋁合金T8態(tài)強(qiáng)化水平以上，并且構(gòu)件尺寸一致性好、橢圓度小于0.5‰。超低溫成形整體超薄箱底，成形后不再加工、直接使用，在國(guó)際上率先實(shí)現(xiàn)火箭貯箱箱底整體凈成形，為大尺寸鋁合金超薄構(gòu)件整體成形提供全新技術(shù)途徑。

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05

Al-Cu合金超低溫變形行為及強(qiáng)化機(jī)制分析

引用格式:王睿乾, 李魯博, 劉偉. Al-Cu合金超低溫變形行為及強(qiáng)化機(jī)制分析[J]. 機(jī)械工程學(xué)報(bào), 2025, 61(14): 45-55.

論文摘要：

制備Al-Cu二元合金作為模型材料，研究溫度對(duì)其變形行為及強(qiáng)化機(jī)制的影響。通過(guò)單向拉伸測(cè)試、應(yīng)變?cè)粶y(cè)量、電子顯微鏡觀察等宏微觀表征手段對(duì)比研究Al-Cu合金在不同溫度下的力學(xué)性能、應(yīng)變速率敏感性、塑性失穩(wěn)現(xiàn)象 (Portevin-Le Chatelier，PLC)效應(yīng)、位錯(cuò)演變及斷口形貌，并通過(guò)相關(guān)經(jīng)典理論建立起與溫度相關(guān)聯(lián)的強(qiáng)化模型。結(jié)果顯示，Al-Cu合金的力學(xué)性能隨溫度降低先減弱后增強(qiáng)，越過(guò)123 K后可實(shí)現(xiàn)強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率的協(xié)同提升。同時(shí)，其變形轉(zhuǎn)移模式隨溫度降低發(fā)生顯著改變，由PLC帶的循環(huán)傳播轉(zhuǎn)變?yōu)檎w協(xié)調(diào)均勻變形。通過(guò)強(qiáng)化模型分析發(fā)現(xiàn)超低溫對(duì)Al-Cu合金變形行為的影響主要?dú)w結(jié)于兩類強(qiáng)化機(jī)制的競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系。隨溫度降低動(dòng)態(tài)應(yīng)變時(shí)效(Dynamic strain ageing，DSA)強(qiáng)化機(jī)制的削弱與其他強(qiáng)化機(jī)制的增強(qiáng)此消彼長(zhǎng)，共同導(dǎo)致Al-Cu合金力學(xué)性能的先減弱后增強(qiáng)，為鋁合金超低溫成形技術(shù)的工藝實(shí)踐提供理論基礎(chǔ)。

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06

超低溫壓縮對(duì)6061鋁合金微觀組織的影響

引用格式:符云帆, 易幼平, 黃始全, 何海林, 董非. 超低溫壓縮對(duì)6061鋁合金微觀組織的影響[J]. 機(jī)械工程學(xué)報(bào), 2025, 61(14): 56-62.

論文摘要：

針對(duì)鋁合金高溫與室溫變形過(guò)程微觀組織易粗化與不均勻難題，通過(guò)對(duì)6061鋁合金在不同溫度下壓縮變形試驗(yàn)，闡明了變形溫度對(duì)合金微觀組織與性能的影響，結(jié)合背向散射電子衍射等技術(shù)重點(diǎn)分析了超低溫(-196 ℃)變形對(duì)合金組織細(xì)化規(guī) 律與機(jī)制。試驗(yàn)結(jié)果表明，500 ℃高溫下合金發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，平均晶粒尺寸約30 μm；20 ℃室溫下，變形機(jī)制以位錯(cuò)滑移為主，變形在施密特因子大的晶粒內(nèi)優(yōu)先發(fā)生，導(dǎo)致組織分布不均，平均晶粒尺寸約為8.57 μm；-196 ℃超低溫下，回復(fù)過(guò)程受到顯著抑制，位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)受點(diǎn)缺陷釘扎效應(yīng)影響明顯，同時(shí)亞晶界密度增加導(dǎo)致滑移系啟動(dòng)的臨界分切應(yīng)力增大，超低溫條件下熱激活作用減弱和Peierls力增加共同導(dǎo)致變形抗力顯著提升。增強(qiáng)的變形抗力不僅促進(jìn)了位錯(cuò)滑移的均勻分布，同時(shí)形成平直細(xì)長(zhǎng)的滑移帶，產(chǎn)生更大的平均取向差(≥15°)，最終獲得平均晶粒尺寸約為1.13 μm的超細(xì)晶組織。研究結(jié)果為鋁合金塑性變形過(guò)程中的晶粒細(xì)化機(jī)制提供了新的理論依據(jù)。

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07

超低溫變形與時(shí)效交互作用下的2219鋁合金組織性能演變規(guī)律

引用格式: 亢鑫, 楊光, 焦嬌, 趙子皓, 凡曉波. 超低溫變形與時(shí)效交互作用下的2219鋁合金組織性能演變規(guī)律[J]. 機(jī)械工程學(xué)報(bào), 2025, 61(14): 63-72.

論文摘要：

超低溫成形是近年發(fā)展起來(lái)的一類變革性的鋁合金薄壁結(jié)構(gòu)高性能成形技術(shù)。采用超低溫成形制造的可熱處理強(qiáng)化鋁合金構(gòu)件組織性能受超低溫變形與熱處理耦合影響。因此，通過(guò)固溶態(tài)超低溫變形+人工時(shí)效試驗(yàn)，系統(tǒng)闡明超低溫變形與時(shí)效交互作用下的2219鋁合金力學(xué)性能演變規(guī)律；通過(guò)晶粒結(jié)構(gòu)與析出相表征，揭示超低溫變形與時(shí)效溫度交互作用下的強(qiáng)化相析出機(jī)制。結(jié)果表明，超低溫變形可顯著提高組織性能，匹配人工時(shí)效可以進(jìn)一步優(yōu)化性能。固溶態(tài)2219鋁合金超低溫變形后，得益于大量增殖并保留的位錯(cuò)亞結(jié)構(gòu)，材料強(qiáng)度隨變形程度增加而大幅提高。30%超低溫變形試樣常溫屈服強(qiáng)度達(dá)到397.5 MPa，相對(duì)未變形試樣提高26.5%，超過(guò)材料T87熱處理強(qiáng)化水平。進(jìn)行人工時(shí)效后，峰時(shí)效強(qiáng)度隨時(shí)效溫度增加而減小，達(dá)到峰時(shí)效強(qiáng)度的時(shí)效時(shí)間縮短。150 ℃×18 h人工時(shí)效后達(dá)到最高峰時(shí)效強(qiáng)度，屈服與抗拉強(qiáng)度分別是408.9和488.4 MPa。此時(shí)強(qiáng)化相主要是大量彌散析出的θ"相。隨著時(shí)效溫度升高，強(qiáng)化相逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)棣?相。當(dāng)時(shí)效溫度為200 ℃時(shí)，時(shí)效1 h就可達(dá)到峰時(shí)效強(qiáng)度，可以大幅縮短制造周期。此外，隨著時(shí)效溫度升高，超低溫變形保留的高能亞結(jié)構(gòu)組織會(huì)發(fā)生回復(fù)，屈服強(qiáng)度降低、韌性增加。因此，通過(guò)超低溫大變形與短時(shí)高溫時(shí)效，可同時(shí)獲得優(yōu)異的強(qiáng)度與韌性。綜上，通過(guò)超低溫變形與人工時(shí)效合理匹配可獲得優(yōu)異的組織性能，為薄壁結(jié)構(gòu)超低溫成形組織性能調(diào)控提供理論指導(dǎo)。

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08

2195鋁鋰合金超低溫變形各向異性行為及組織演變規(guī)律

引用格式:姚夢(mèng)佳, 王睿乾, 劉偉. 2195鋁鋰合金超低溫變形各向異性行為及組織演變規(guī)律[J]. 機(jī)械工程學(xué)報(bào), 2025, 61(14): 73-80.

論文摘要：

鋁鋰合金的各向異性對(duì)材料的成形性能具有顯著影響。研究2195鋁鋰合金在室溫(RT)和-196 ℃超低溫(CT)下的各向異性力學(xué)行為及微觀組織演變。采用超低溫拉伸與耦合數(shù)字圖像散斑(Digital image correlation, DIC)相結(jié)合的技術(shù)，通過(guò)室溫和超低溫單拉測(cè)試、超低溫原位拉伸掃描電鏡觀察，獲得了鋁鋰合金板材沿不同方向的拉伸性能、應(yīng)變硬化指數(shù)n值及各向異性指數(shù)r值，表征了沿不同方向拉伸時(shí)的晶粒變形情況，分析了織構(gòu)隨拉伸變形的演變規(guī)律。研究表明，-196 ℃下2195鋁鋰合金的n值提高，r值增加，Δr值降低。超低溫下變形時(shí)，鋁鋰合金沿不同方向變形時(shí)有更多晶粒參與變形，變形均勻性提高，超低溫能夠加速Copper {112} <111>→S {123} <634>→Brass {011} <211>的織構(gòu)演變過(guò)程，減少Copper織構(gòu)組分，從而提高r值，并且超低溫變形能夠降低β纖維織構(gòu)的體積分?jǐn)?shù)，弱化了織構(gòu)對(duì)面內(nèi)各向異性的影響，從而降低Δr值。該結(jié)果表明超低溫下變形有利于提高鋁鋰合金變形均勻性，并揭示了鋁合金超低溫下面內(nèi)各向異性降低的微觀機(jī)制，為鋁合金超低溫成形技術(shù)的應(yīng)用奠定理論基礎(chǔ)。

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09

初始時(shí)效狀態(tài)對(duì)超低溫軋制2024鋁合金微觀組織及力學(xué)性能的影響

引用格式: 張凌宇, 戚宇彤, 陳偉, 李淑慧, 林忠欽. 初始時(shí)效狀態(tài)對(duì)超低溫軋制2024鋁合金微觀組織及力學(xué)性能的影響[J]. 機(jī)械工程學(xué)報(bào), 2025, 61(14): 81-90.

論文摘要：

冷噴涂增材制造技術(shù)由于具有非常低的熱量輸入，能夠有效避免晶粒粗大，高內(nèi)應(yīng)力以及熱裂等缺陷而受到越來(lái)越多的關(guān)注。但是冷噴涂2024鋁合金沉積體內(nèi)由于孔洞以及高密度位錯(cuò)的存在導(dǎo)致其性能較低。對(duì)于鋁合金來(lái)講，“超低溫軋制+時(shí)效處理”是一種有效的組織調(diào)控及性能優(yōu)化方法，但是目前不同初始時(shí)效狀態(tài)對(duì)2024鋁合金在超低溫軋制過(guò)程中微觀結(jié)構(gòu)和性能的影響機(jī)制尚不清楚。因此，基于X射線衍射(X-ray diffraction, XRD)以及透射電子顯微鏡(Transmission electron microscopy, TEM)等測(cè)試手段對(duì)比了固溶態(tài)和預(yù)時(shí)效態(tài)兩種不同初始狀態(tài)的2024鋁合金在超低溫軋制和隨后的低溫時(shí)效過(guò)程中位錯(cuò)和析出相結(jié)構(gòu)的演變規(guī)律，闡明了初始的T相以及GPB區(qū)對(duì)軋制過(guò)程中位錯(cuò)演變的影響機(jī)制。結(jié)果表明，預(yù)時(shí)效試樣的GPB區(qū)在能夠顯著提升超低溫軋制后合金的位錯(cuò)密度和均勻性。進(jìn)一步的，高密度的位錯(cuò)在隨后的低溫時(shí)效處理中作為析出相的形核位點(diǎn)，促進(jìn)了大量彌散的，尺寸細(xì)小(15～20 nm)的 沉淀的析出。高密度的 析出物能有效地糾纏并儲(chǔ)存位錯(cuò)，使其表現(xiàn)出更優(yōu)的強(qiáng)塑性，屈服強(qiáng)度達(dá)到488 MPa，均勻伸長(zhǎng)率為8.5%。強(qiáng)度比商用的傳統(tǒng)峰值時(shí)效2024合金高出大約40%，同時(shí)保持了相近的均勻變形能力。結(jié)果也證明了超低溫軋制對(duì)冷噴涂鋁合金的性能優(yōu)化具有顯著的效果。

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10

2219鋁合金攪拌摩擦拼焊板超低溫變形與組織性能研究

引用格式:郝永剛, 金曉月, 劉偉, 王睿乾. 2219鋁合金攪拌摩擦拼焊板超低溫變形與組織性能研究[J]. 機(jī)械工程學(xué)報(bào), 2025, 61(14): 91-98.

論文摘要：

采用鋁合金攪拌摩擦焊板是制造3 m級(jí)以上大型運(yùn)載火箭燃料貯箱箱底等薄壁構(gòu)件的新途徑，但面臨變形和熱處理后焊縫晶粒異常長(zhǎng)大以及力學(xué)性能下降等瓶頸難題。開展了2219鋁合金攪拌摩擦焊板超低溫變形-固溶處理-時(shí)效處理后焊縫組織與力學(xué)性能變化規(guī)律研究，分別通過(guò)單向拉伸測(cè)試和半球曲面件拉深工藝試驗(yàn)，對(duì)比了室溫和低溫變形及熱處理后的焊縫平均晶粒尺寸以及接頭力學(xué)性能。結(jié)果表明：相同變形量下，超低溫變形的試件焊縫處晶粒被顯著細(xì)化；焊縫平均晶粒尺寸由191 μm減小至51.5 μm；超低溫拉深半球件雙拉區(qū)焊縫晶粒尺寸減小61.9%，且橫向接頭試樣抗拉強(qiáng)度為母材的94.1%。超低溫變形能夠起到穩(wěn)定晶界的作用，抑制焊縫區(qū)晶粒的異常長(zhǎng)大，提高接頭力學(xué)性能。

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7075鋁合金超低溫變形行為與回彈預(yù)測(cè)研究

引用格式:戚宇彤, 孫楚研, 李淑慧. 7075鋁合金超低溫變形行為與回彈預(yù)測(cè)研究[J]. 機(jī)械工程學(xué)報(bào), 2025, 61(14): 99-107.

論文摘要：

以預(yù)時(shí)效態(tài)的7075鋁合金板材為試驗(yàn)材料，進(jìn)行室溫和-196 ℃下的單向拉伸、拉伸-卸載、拉伸-壓縮以及U型件彎曲回彈試驗(yàn)，結(jié)合有限元仿真，分析超低溫變形行為和回彈規(guī)律。結(jié)果表明，超低溫下預(yù)時(shí)效態(tài)7075鋁合金在單向拉伸時(shí)表現(xiàn)出延伸率提高和硬化能力增強(qiáng)的雙增效應(yīng)，在循環(huán)拉伸-卸載過(guò)程中彈性模量隨應(yīng)變衰減速率更快，在拉伸-壓縮加載過(guò)程中表現(xiàn)出更顯著的提前屈服現(xiàn)象和瞬態(tài)行為，包辛格效應(yīng)增強(qiáng)，且超低溫下U型件回彈量略大于室溫?？紤]到正反向加載時(shí)材料的硬化差異，使用不同的正反向硬化參數(shù)對(duì)初始Y-U模型進(jìn)行修正。相比于初始Y-U模型，修正的模型能夠更好地描述-196 ℃下的拉伸-壓縮循環(huán)加載變形行為，并具備更高的U型件超低溫回彈預(yù)測(cè)精度。

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梯度超低溫下的鋁合金球殼回彈規(guī)律研究

引用格式:鄔方興, 楊光, 王啟梁, 凡曉波. 梯度超低溫下的鋁合金球殼回彈規(guī)律研究[J]. 機(jī)械工程學(xué)報(bào), 2025, 61(14): 108-116.

論文摘要：

超低溫成形是近年發(fā)展起來(lái)的一類變革性鋁合金薄壁結(jié)構(gòu)成形技術(shù)，成形構(gòu)件尺寸精度受超低溫溫度分布與復(fù)雜應(yīng)力加載顯著影響。重點(diǎn)研究了超低溫溫度分布對(duì)鋁合金球殼拉深成形回彈的影響規(guī)律；通過(guò)變形均勻性與應(yīng)力解析，揭示梯度超低溫對(duì)回彈的控制機(jī)理。結(jié)果表明，球形試件回彈隨溫度梯度的增大而減小，開口區(qū)域尺寸偏差由溫度梯度36 ℃的1.35 mm減小為溫度梯度216 ℃的0.83 mm，相應(yīng)尺寸精度可以提高38.5%。這得益于顯著提高的應(yīng)力梯度和變形均勻性。一方面，提高應(yīng)力梯度可以轉(zhuǎn)移懸空區(qū)變形，減小球殼區(qū)截面應(yīng)力差。另一方面，溫度梯度增大使變形更均勻，整個(gè)試件的壁厚均差率可以提高55.8%，其中，球殼區(qū)域的壁厚最大減薄率減小36.9%，法蘭區(qū)域的壁厚最大增厚率減小74.6%。也就是說(shuō)，超低溫成形不僅能夠顯著提高成形極限，還能通過(guò)溫度分布來(lái)減小回彈，提高構(gòu)件尺寸精度。研究結(jié)果可為球殼超低溫成形精度控制提供指導(dǎo)。

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責(zé)任編輯：杜蔚杰

責(zé)任校對(duì)：張 強(qiáng)

審 核：張 彤

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JME學(xué)院是由《機(jī)械工程學(xué)報(bào)》編輯部2018年創(chuàng)建，以關(guān)注、陪伴青年學(xué)者成長(zhǎng)為宗旨，努力探索學(xué)術(shù)傳播服務(wù)新模式。首任院長(zhǎng)是中國(guó)機(jī)械工程學(xué)會(huì)監(jiān)事會(huì)監(jiān)事長(zhǎng)、《機(jī)械工程學(xué)報(bào)》中英文兩刊主編宋天虎。

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