中国机械工程学会“2024年机械工程领域前沿科学问题和工程技术难题”

张士宏

2024年12月30日

      10月25-27日，中国机械工程学年会在西安召开。大会发布了一年一度的“2024年机械工程领域前沿科学问题和工程技术难题”。我团队提出的“高应变率下金属材料的增塑降弹机理”课题入选为2024年机械工程领域前沿科学问题“极端应变率下，材料的高塑性、低应力的物理机制是什么？”。这个课题是我们团队与中南大学湛利华团队共同提出获得通过。湛老师团队长期进行超低应变率下的金属材料的塑性成形机理及成形技术研究，例如铝合金板材蠕变成形技术，在航空航天领域获得较多应用，解决了国家很多关键技术难题。

       一般来讲，金属材料的塑性加工在0.1~100/s的应变率范围内进行，包括常见的锻造、冲压、轧制和挤压、拉拔。对于高速冲压或高速锻造，也很少会超过500/s。在这个应变率范围内，一般随着应变率的升高，金属材料的塑性往往明显下降，脆性增加，变形抗力（流动应力）明显增大。例如常见的不锈钢304，低速拉伸（0.1/s）时延伸率可以达到50%以上，而高速冷锻（100/s）时，则很脆，延伸率甚至不足10%。

         科学家很早发现了低应变率下金属材料塑性可以显著提高的现象，例如很多金属材料在0.0001~0.01/s的低应变率范围有很高的延伸率，甚至达到300%以上，变形抗力很低，这就是金属的超塑性。超塑性可以用于成形很多复杂金属零部件，在过去的近百年中发展很快，获得了很多应用。我国在1990年代前缺少大型锻压设备，因此超塑成形技术和等温锻造技术（近超塑成形）获得较多应用，解决了无大吨位设备无法成形大部件的困难，所谓小马拉大车。

       科学家们还发现，如果应变率更低，金属材料还可以更大地提高塑性、更显著降低变形抗力，这就是高温蠕变成形技术。这个技术在航空壁板等生产中获得了应用。

      我们团队在过去十几年开展了全域应变率的成形机理研究，重点是应变率超过1000/s以上。我们发现，很多铝合金、铝锂合金、钛合金在超高应变率下，塑性不再降低，而是塑性显著提高，而且弹复显著减小。这个现象对于很多常温低塑性难成形，或大弹复的金属零件加工很有实用价值。因此我们在板管零部件液压成形的基础上提出了板管零部件冲击液压成形技术，研制了专用设备，解决了不少航空板件和管件的成形加工。特别有价值的是，由于钛合金板件室温塑性差，弹复又很明显，一般无法室温成形。目前生产中基本都是热成形，依赖高温退火控制弹复和精度。本团队发现，对于钛合金板件，高应变率下，延伸率（例如TC4）可以提高20%左右，而弹复可以降低90%以上。因此未来可望实现钛合金板件高应变率室温精确成形。这样的工艺例子过去也有，例如50年代发展起来的金属板材爆炸成形、薄壁金属板材的电磁成形、电液成形、金属薄膜通电汽化成形，都是应用了金属材料高应变率增塑的特性。但这些工艺各有不足，发展较慢，物理机制还不清楚，没得到充分重视。

     可见，金属材料在不同应变率范围塑性变化和弹复变化趋势都是不同的，归根结底是其物理机制有所不同。金属塑性变形的主要机制包括位错滑移、孪生、晶界滑移、晶粒旋转等多种形式，其发生条件是不同的。首先是温度有很大影响，其次是应变率也有很大影响。过去的工作关注局部条件和特定工艺，对于极端应变率关注不够。首先极低、超高应变率下的金属塑性变形物理机制需要解决；其次，可以针对不同材料开发相应工艺，提出科学的工艺设计方法，研发专用设备和工装模具。

      因此，2024年度的机械工程领域前沿科学问题“极端应变率下，材料的高塑性、低应力的物理机制——高应变率下金属材料的增塑降弹机理”值得开展系统深入的研究。

2024年10月26日，中国机械工程学会发布“2024年机械工程领域前沿科学问题和工程技术难题”：“极端应变率下，材料的高塑性、低应力的物理机制是什么？”