摘要：大家好！今天一起来了解一个混合材料在定制成型过程中的研究——《Analysis of Temperature and Stress Distribution on the Bond Properties of Hybrid Tailored Formed Co
大家好！今天一起来了解一个混合材料在定制成型过程中的研究——《Analysis of Temperature and Stress Distribution on the Bond Properties of Hybrid Tailored Formed Components》发表于《Advanced Engineering Materials》。在现代工程领域，轻量化构造可是越来越关键啦，就像汽车制造、航空航天等行业，为了满足效率、可持续性和高性能的要求，都在大量使用混合材料哦。比如说，在汽车发动机的某些部件中，采用钢和铝的组合，既能减轻重量，又能保证强度。
不过呢，混合材料的加工可不容易，因为不同材料的物理性质差异很大。像把钢和铝通过旋转摩擦焊接及后续的杯形反向挤压进行定制成型时，它们的屈服应力差别就成了关键问题。接下来，我们就深入研究一下这个过程中的温度和应力分布是怎么影响结合性能的，还会给大家介绍一些研究方法和有趣的发现哦！
*本文只做阅读笔记分享*
一、研究现状
在混合部件的生产领域，那可是已经有不少成果啦。在钣金成型中，定制坯料已经发展得较为成熟，而且在块体金属成型方面也有了很多研究。比如说，Groche 等人和 Peter 等人就做过一个超有趣的实验，他们把钢合金 C15 和铝合金 EN AW - 6082 在室温下进行杯形反向挤压，通过巧妙地运用合适的热处理和表面条件，成功补偿了不同材料的成型特性差异。
还有 Wohletz 等人，他们研究了在两种半成品之间设置温度梯度来平衡屈服应力的可能性，发现特定的温度组合能实现有效的结合，而不合适的组合就会在界面产生裂缝呢。
复合锻造虽然有很大潜力生产高强度的混合接头，但也存在一些小麻烦，比如氧化物夹杂和润滑剂污染，这些问题会严重影响结合强度哦。所以呢，在成型前进行连接就成了更有利的选择。像 Foydl 等人通过挤压和模锻结合的方法，把钢纤维插入铝基体中，既增加了部件强度，又保持了轻量化；Domblesky 等人用旋转摩擦焊接和镦粗的工艺组合，也展示了钢铜或铜铝混合半成品的良好加工性能。
在温度测量方面，这也是个很重要的环节哦。Childs 等人把温度测量传感器分为侵入式、半侵入式和非侵入式。非侵入式的光学传感器可以测量物体发出的红外辐射来确定温度，但是混合材料的不同材料发射系数不一样，这就需要多个校准后的光学传感器才行。侵入式的触觉传感器得和物体物理接触，通过热传导等机制来测量温度，可它只能测量特定点的温度，而且对于几何形状会变化的部件，还得有额外机制保证传感器和部件的接触呢。
二、实验部分
用特定的材料和工艺来深入研究混合材料的奥秘哦。选用了 20MnCr5/AISI5120H 钢和 EN AW - 6082 铝合金，这两种材料在工业中都很常用。首先用旋转摩擦焊接（RFW）把它们连接起来，RFW 特别适合这两种材料，因为它的工艺温度低于材料熔点，还能把铝的不良氧化物层冲走，减少对结合强度的影响。
接下来就是感应加热与喷雾冷却环节啦。在杯形反向挤压前，用一个内径 50mm、高 40mm 且有 6 个绕组的感应线圈加热钢侧，同时用四个圆形喷射空气喷嘴冷却铝壳表面。我们还用热电偶测量温度，记录感应线圈的输出电流，这些数据都为后续的有限元模拟提供了重要依据哦。
然后进行杯形反向挤压，在 LASCO 型 SPR 500 螺旋压力机上操作，用机器人抓手自动转移工件。通过直径 22mm 或 30mm 的冲头实现不同的截面变化，这会对材料的流动和结合区产生不同的影响哦。成型后，还要把钢和铝区域在水浴中淬火，防止热膨胀和断裂。之后用线切割在不同位置提取微拉伸试样，在 dilatometer DIL 805A/D + T 上进行单轴拉伸测试，研究局部结合强度，看看结合强度和表面扩大、温度分布以及 IMC 生长之间的关系。
在搬运过程中，因为在不同工艺步骤之间搬运时，温度梯度容易失控，所以要开发一种能在搬运不同几何形状工件时连续测量温度的方法。利用机械抓手手指与物体接触时的热传递现象，通过监测手指温度变化来间接确定工件温度。做了模拟实验，改变物体温度（比如 600°C、800°C、1000°C），观察手指温度在多个处理周期内的变化，发现手指温度会随着接触时间上升，而且温度梯度和物体温度密切相关哦。
最后，还用有限元法对感应加热和杯形反向挤压过程进行数值模拟。在模拟感应加热时，考虑了材料的电磁特性、接触条件和加热冷却条件等，用特定的网格划分算法和校准后的热传递系数，让模拟结果更准确。
模拟杯形反向挤压时，设置合适的工具温度、摩擦系数和材料数据，通过和实验数据对比验证模型的可靠性，然后用验证后的模型模拟不同条件下的过程，为研究提供更多信息。
三、结果与讨论
从模拟的应力分布结果来看，不同的样本变体有明显差异哦。当冲头直径为 22mm 和 30mm 时，连接区的钢区域都有压缩应力，但 30mm 冲头时，由于材料向上流动更强，铝区域会产生拉伸应力。而通过额外冷却，铝的温度降低，屈服应力和成型阻力增加，这样就能更好地抵抗裂纹产生啦。
通过拉伸强度测试也发现了有趣的现象哦。减少铝基体温度能显著提高拉伸样品各区域的局部结合强度。在没有冷却铝的情况下，边缘区域 R0、M1 和 M0 就很难达到足够的结合强度，因为之前研究发现这些区域的 IMC 厚度可能会超过 6.4μm，容易断裂。而且 RFW 过程中，如果相对转速低，中心 M1 和 M0 区域也可能因为结合强度不足而出现问题。
在模拟抓手手指温度变化时，发现手指温度的上升和物体温度密切相关，而且温度曲线呈现阶梯状。在实验中，虽然和模拟有些差异，比如物体温度恒定且等待时间更长，但也有相似之处，手指温度同样有阶梯状变化，且温度梯度在接触热物体时最大。这就为我们进一步研究原位温度测量提供了重要线索哦。
四、结论
铝冷却对生产无缺陷复合材料很重要，但微拉伸强度有较大变异性，受应力状态、IMC 和缺陷率影响。
冷却样本铝区压缩应力高，成型阻力大，未冷却样本因残余应力易提前失效。
感应加热和杯形反向挤压过程模拟与实际接近，有助于理解混合材料加工。
手指温度梯度受物体温度影响，可间接确定物体温度。
五、展望
需研究过程波动原因，通过更多数据确定稳态温度和热输入变化，建立模型实时确定物体温度，进一步提高工艺稳定性和理解加工过程。
六、一起来做做题吧
1、在现代工程中，混合材料用于轻量化构造的主要原因是什么？
A. 外观更美观
B. 成本更低廉
C. 结合不同材料优势满足效率等需求
D. 加工过程更简单
2、以下哪种工艺在生产混合部件时可能存在氧化物夹杂和润滑剂污染问题？
A. 旋转摩擦焊接与镦粗结合
B. 挤压与模锻结合
C. 复合锻造
D. 以上都不是
3、在实验中，对钢和铝混合材料进行感应加热与喷雾冷却时，以下哪种说法正确？
A. 只对钢侧进行加热，不对铝进行冷却
B. 只对铝进行冷却，不对钢侧加热
C. 同时对钢侧加热和铝表面冷却，并记录相关数据用于模拟
D. 加热和冷却过程与后续工艺无关
4、在拉伸强度测试中，未冷却铝的情况下，哪些区域容易出现结合强度不足的情况？
A. 中心 M0 区域
B. 边缘区域 R0、M1 和 M0
C. 整个铝区域
D. 无特定区域
5、以下关于铝冷却在混合材料加工中的作用，哪项是正确的？
A. 对生产无缺陷复合材料不重要
B. 能完全消除微拉伸强度的变异性
C. 是生产无缺陷复合材料的关键，但过程存在敏感性
D. 只影响应力分布，不影响拉伸强度
6、为提高工艺稳定性，未来需要做什么？
A. 无需收集更多数据，仅调整现有工艺参数
B. 只建立简单的温度模型，不考虑其他因素
C. 收集更多数据确定稳态温度等，并建立合适模型实时确定物体温度
D. 停止对混合材料加工的研究
参考文献：
Piwek A., et al. Analysis of Temperature and Stress Distribution on the Bond Properties of Hybrid Tailored Formed Components. Adv. Eng. Mater. 2402031.
来源：知识泥土六二三
