高强度铝合金是航空航天和交通运输领域潜在的结构材料。然而，其在室温下的成形性差以及在高温下微观结构不稳定限制了其在需要大塑性变形的领域中的更广泛应用。本研究通过进行低温拉伸试验和增量板材成形(ISF)实验，研究了AA7075-W合金在不同变形条件下的低温韧性增强机制。建立了ISF的多尺度有限元模拟模型，为构建ISF本构模型提供了一种新方法。在低温单轴拉伸中，抗拉强度提高了36%，极限应变提高了60%。在低温ISF过程中，最大轴向成形力增加了近38%，并且在相近的成形深度下，最大成形壁角从55°增加到60°，两者均表现出显著的协同增强效应。在低温单轴拉伸应变中，板材的韧性增强机制包括颈缩的消除、杂质相碎片化对裂纹扩展的阻碍以及几何必要位错分布均匀性的增强。在低温ISF过程中，韧性增强机制包括对几何必要位错增长的抑制和加工硬化能力的增强。
https://doi.org/10.1016/j.matdes.2025.115051
高强度铝合金因其优异的比强度、耐腐蚀性和机械加工性而被广泛应用于航空航天、轨道交通等领域。随着高端装备快速响应制造需求的迭代升级，传统的薄壁构件成形技术面临着对模具依赖性高、工艺灵活性不足等挑战，难以满足多品种、小批量定制场景下的快速制造需求。
增量板材成形(ISF)是一种用于小批量生产的新兴柔性制造技术。该工艺遵循"分层制造"原理，将薄壁构件分解为多个轮廓层。一个几何形状简化的通用工具头逐层遍历这些轮廓，渐进地使外围夹紧的板材产生变形。这种局部塑性变形的累积最终实现了复杂曲面结构件的快速制造。由于其灵活的成形特性，ISF工艺在定制化制造场景中展现出显著的应用潜力。目前，在ISF的各个研究领域已取得实质性进展。与深拉深相比，ISF中的变形机制更为复杂。Emmens等人将局部弯曲、厚度方向剪切、循环载荷和几何约束确定为ISF中的主要变形机制。Douflou等人观察到，在工艺过程中，靠近工具头的板材材料同时承受弯曲和拉伸作用，这种耦合机制促进了板材的稳定变形。
关于ISF工艺表现出的高成形极限，Allwood和Shouler通过在板材内外表面印制对齐的网格证明了剪切应变的存在。他们进一步表明，剪切应变有助于提高成形性。基于ISF的局部成形特性，Malhotra等人提出了"面条理论"，认为变形的局部性是ISF中成形性提高的主要原因。Fang等人发现，在ISF中，板材的裂纹通常出现在工具与板材接触区和非接触区之间的过渡区域。局部变形特性也被认为是ISF极限提高的影响因素之一。Chang等人提出了一种新的空洞聚合机制，发现抑制厚度方向空洞聚合是ISF工艺中成形性提高的根本原因。尽管ISF研究取得了可观进展，但高强度铝合金在室温下有限的延展性极大地限制了它们在复杂构件制造中的应用。
近年来，大量研究揭示了铝合金在低温下表现出协同增强效应——即强度和塑性同时提高。这一发现推动了各种铝合金低温成形工艺的发展，有效解决了高强度铝合金室温延展性差和高温成形性能不稳定的难题。早在1973年，Novikov和Znaehkovskii就观察到了铝和钛合金在低温条件下的延性断裂。随后，铝合金在低温下的协同增强效应受到了广泛关注。在薄壁构件成形过程中，低温不仅能显著提高板材的成形性，还能增强其力学性能。鉴于铝合金在低温下的优异性能，Kumar等人通过制造深度为8 mm的B柱构件（室温下为6 mm），证明了铝板的低温成形潜力。随后，Dong等人设计了一种具有可控冷却区域的深拉深模具，并成功制造出无裂纹构件，避免了传统冷成形技术通常引起的广泛开裂。他们将铝合金的低温诱导韧化归因于三个因素：1) 抑制位错的交滑移，提高了加工硬化率并延迟了局部颈缩；2) 激活更多晶粒参与变形，减少了应变局部化；3) 降低原子扩散速率，抑制了动态应变时效(DSA)以及由Portevin-Le Chaterlier效应引发的不稳定锯齿状流动。PLC效应本质上源于DSA，后者是由运动位错与溶质原子团簇相互作用引起的。在低温下，PLC效应诱导的不稳定材料流动和早期断裂被延缓。Feng等人发现，抑制PLC效应、激活多滑移系以及持续的加工硬化能力是提高低温成形性的关键因素。此外，不同析出相对低温性能的影响至关重要。随后，该团队开发了预硬化AA7075合金，实现了优异的低温成形性和相对较高的初始强度。Duflou等人首次将低温引入ISF工艺。然而，由于板材表面质量恶化导致过早开裂，他们未能验证韧性增强效果。最近开发了一种使用单面浸入液氮的低温控制装置，首次验证了低温辅助ISF过程中的成形性增强。目前的研究主要集中在拉伸和扩孔等简单应变模式，关于ISF工艺低温性能的研究有限。考虑到ISF涉及拉伸、弯曲和剪切等复杂变形模式，这与单轴拉伸变形有显著不同。ISF工艺与单轴拉伸变形在韧性增强机制上的差异尚缺乏系统研究。
图2 (a) 拉伸试样示意图。(b) 断裂测试试样和EBSD测试试样示意图。图4 不同温度下拉伸试验和ISF实验中的塑性应力-应变曲线。(a) 拉伸试验中的应力-应变曲线。(b) ISF模拟中的应力-应变曲线。图5 AA7075合金在不同温度下单轴拉伸变形下的应力-应变曲线。(a) 工程应力-应变曲线。(b) 加工硬化率曲线。图6 不同温度下ISF过程中成形力的变化趋势。(a) ISF实验。(b) ISF模拟。图7 不同温度下拉伸试样断裂区域的表面形貌，从前视图和侧视图展示。图9 (a) 室温 和 (b) 低温 下ISF试样子午截面的断裂形貌。图10 (a) - (c) 室温 和 (d) - (f) 低温 下拉伸试样的断口形貌。图12 原始板材和不同温度下拉伸试样的GNDs分布图。(a) 原始板材。(b) 室温-26.7%拉伸试样。(c) 低温-26.7%拉伸试样。(d) 断裂试样。图14 侧壁的塑性应变。(a) 室温-ISF塑性应变。(b) 低温-ISF塑性应变。(c) 等效塑性应变。图16 不同温度下拉伸试样和ISF试样的Schmid因子分布图。(a) 室温-26.7%拉伸试样。(b) 低温-断裂拉伸试样。(c) 室温-ISF试样。(d) 低温-ISF试样。本研究系统性地探究了AA7075-W铝合金在低温 环境下，于两种不同变形条件下的性能提升与内在机理：
单轴拉伸变形：研究简单的单向应力状态下的行为。
增量板材成形：研究复杂的拉-弯-剪耦合应力状态下的行为。
具体研究工作包括以下三个层面：
宏观性能实验：
微观机理分析：
多尺度模拟验证：
建立了一个创新的多尺度有限元模拟框架，将微观变形与宏观成形过程联系起来。
微观尺度：使用晶体塑性有限元法，基于实验数据模拟位错（GNDs）的演化。
宏观尺度：将基于GNDs密度建立的新型本构模型应用于宏观ISF模拟，成功预测成形力并验证模型可靠性。
研究深刻揭示了低温在不同变形条件下，通过不同的主导机制来增强材料的韧性：
机制一：低温单轴拉伸中的韧性增强机制
在单轴拉伸中，低温延性的提升主要归因于以下三个机制的协同作用：
机制二：低温增量板材成形中的韧性增强机制
在更为复杂的ISF过程中，韧性增强机制与单轴拉伸有所不同：
本研究系统揭示了AA7075铝合金在低温(-180°C)环境下同时实现强度与塑性协同增强的机理：在单轴拉伸中，极限应变提升60%、强度提升36%，主要得益于颈缩消除、裂纹扩展受阻和几何必要位错分布均匀化；在增量板材成形中，最大成形角从55°增至60°，成形力提升38%，主要机制转变为抑制位错增殖和增强加工硬化能力。研究还创新建立了基于晶体塑性有限元的多尺度模拟框架，通过几何必要位错密度构建的本构模型成功预测了成形过程，为高性能铝合金的低温成形提供了理论依据和先进模拟方法。
