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2000 系合金是 Al（铝）-Cu（铜）系合金，是 1种可热处理强化的铝合金。它具有优良的锻造性能、焊接性能以及烘烤强化效应。合金中的主要强化相为 CuAl2，含有一定量 Mg（镁）时还有CuMgAl2强化相，具有较高的屈服和抗拉强度，但抗腐蚀性能较差。2000 系合金中除主加元素外，Cd（镉）、Ag（银）2 种元素的单独加入或者复合添加均可以显著增强该系合金的时效硬化效应。微量 In（铟）的添加使 Al-Cu-Li（锂）合金的屈服强度增加 25%，到达时效峰值的时间缩短 25%，时效24 h 后的屈服强度提高70%。此外，微量元素的添加还能够有效改善铝合金的断裂韧性、抗应力腐蚀及抗疲劳性能。2091合金中微量Zn（锌）的存在显著增强了材料的断裂韧性，如添加 Zn 质量分数为0.7%可使 2091 合金的临界应力强度因子值提高3.0 MPa·m1/2；微量 Ce（铈）的添加能有效改善 Al⁃Cu4.5合金的抗热疲劳性能。

文献研究了加入Sc（钪）和 Zr（锆）元素对的2618 合金性能的影响，发现 Sc 和 Zr 的加入使 2618合金产生一个初晶相Al3(Sc，Zr)。该相在凝固时可以作为非均匀形核的核心从而细化晶粒。由α(Al)固溶体析出的第二相颗粒Al3(Sc，Zr)与基体完全共格，具有明显的析出强化效果。同时也使 S’相析出更加均匀。有 Al3(Sc，Zr)相的 2618 合金室温与高温的屈服强度均提高，而塑性不下降。王华等制备了含微量Sc、Zr的2524铝合金板材，对其组织和性能研究表明微量 Sc 和 Zr 在 2524 铝合金中主要以次生的 Al3(Sc，Zr)粒子形式存在，这种粒子与基体共格，钉扎位错和亚晶界，高温固溶处理过程中仍然能够抑制部分合金的再结晶。在 T3 状态下，含 Sc、Zr 的 2524 铝合金的塑性与 2524 铝合金的相当，而屈服强度提高了18 MPa。微量Sc、Zr对Al-Cu-Mg 合金的强化作用主要来源于添加微量Sc、Zr 引起的细晶强化、亚结构强化和析出强化。由于合金元素及其构成第二相的影响，2000 系铝合金板材在烘烤过程中容易出现软化现象，且其抗应力腐蚀能力差，严重限制了该系列板材在车身外板的应用。

5000 系合金是不可热处理强化的铝合金，具有中等的屈服强度和抗拉强度、耐蚀性、加工性能与良好的焊接性。Mg 溶于 Al 基体中形成固溶强化，使合金在屈服强度、抗拉强度、成形性和抗蚀性方面具有一般钢材的特点，所以日本广泛应用5000 系铝合金作为汽车内板材料（5022、5023、5182）以及其它形状复杂的部件。5000 系合金的固溶强化存在延时屈服和勒德斯线 2 个明显的缺点，此外与6000系相比，5000系合金在喷漆退火后其屈服强度下降，而 6000 系的屈服强度上升。目前 5000 系铝合金的研究通常是通过优化合金成分、控制杂质质量分数、添加微量元素改善合金性能。如在 5050、5150 基础上添加微量 Mn（锰）、Ga（镓）研究而成的5025，具有优良的压力加工性能、成形性能和耐腐蚀性[8]。近年来，在 Al-Mg 合金中同时添加Sc和Zr 元素的研究较多，采用Sc和Zr 复合微合金化可显著提高合金的抗拉强度。

5000 系铝合金中，随 Mg 质量分数的增加，材料的伸长率开始下降，但当Mg质量分数超过2%以后，伸长率会迅速上升，近年来还开发出了 Mg 的质量分数达 5%～6%的高镁铝合金板。另一方面，适当地加入 Mn 元素，使 Mg 相沉淀均匀，可以提高合金的抗腐蚀性能，同时能提高合金的再结晶温度，抑制晶粒长大，确保合金具有更高的稳定性。研究发现向铝中添加质量分数为1%的Mg，可以使材料的抗拉强度提高 35 MPa，而加入同量 Mn的效果则几乎大了一倍。但 Mn 含量多时，抗拉强度略有增加，塑性则显著降低。尤其有微量 Na（钠）存在时，热轧过程会产生“钠脆”现象。

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6000 系铝合金是可热处理强化的铝合金，其成形性好、耐蚀性强、抗拉强度高、耐高温性能较好。6000系铝合金较7000系合金有较高的疲劳强度，又比 2000 系合金有较好抗腐蚀性能。5000 系合金的斯德勒线及桔皮效应不令人满意，6000 系合金上述 2 种性质较好。6000 系合金可以通过添加少量多种合金元素来细化晶粒，改变再结晶状态，同时改进铸造、轧制及热处理工艺获得良好的综合性能。6000 系铝合金的时效过程就是过饱和固溶体的脱溶分解过程，也是原子扩散过程，与时效时间和温度都有关。自然时效使人工时效后合金的抗拉强度、硬度下降，而预时效则能减轻自然时效的有害作用。在固溶处理之后引入预应变会大大抑制 GP（溶质原子富集区）的形成，加速中间相的形核和长大。预应变可充分发挥6000系铝合金车身板的烘烤硬化效应。

6000系合金中除Al 以外，最多的元素是Mg 和Si（硅）。Mg 能提高合金的抗蚀性和可焊性。增加Mg 的质量分数有利于提高合金的抗拉强度，但不利于合金的冲压成形。随含 Mg 的质量分数的增加，合金的抗拉强度升高，但其作用有一定的范围，当其质量分数达到 1.7%时，合金的抗拉强度明显降低 。6000系合金中的强化相是Mg2Si。研究表明，合金中强化相 Mg2Si 的质量分数每增加 0.1%，抗拉强度峰值可增加 5 MPa 左右，同时延伸率也有少量增加，如表 1 所示。除形成强化相以外，Si 能提高铸造和焊接流动性、耐磨性。相对强化相 Mg2Si 来说，Si 的质量分数通常是过量的。研究表明，Si 质量分数过量时析出次序以及各亚稳相的结构及其晶格常数不会改变，但析出相的化学成分及密度发生变化。过量的 Si 更易析出大量的团簇，更易形成细小均匀分布的β’’相，使合金密度大大增加，提高合金的抗拉强度。

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热处理对合金的组织和性能有很大的影响。铝合金的热处理主要包括退火处理、固溶处理、时效处理、回归再时效处理以及最终形变热处理。5000 系合金是不可热处理强化合金，因而其热处理工艺主要是退火处理。5000 系铝合金板经退火处理后，其抗拉强度略有下降，而延伸率和应变硬化指数大幅地提高。退火温度升高，使板材抗拉强度降低，延伸率增大。文献[18]得出5754-H24铝合金板材的退火温度范围为240~250 ℃，保温时间 1 h。5083 铝合金板在 300 ℃退火后抗拉强度大幅度降低，塑性明显提高。在 550 ℃退火时，轧制态 5083 铝合金板材的纤维组织消失，再结晶晶粒明显长大，并等轴化。

2000 系和 6000 系合金是可热处理强化合金，因而常用固溶处理、时效处理、回归再时效处理以及最终形变热处理方式改善其组织和性能。固溶处理后通常进行时效处理，固溶处理使强化相最大限度溶入基体，而时效处理则使强化相从基体中析出，从而使合金的硬度增加。铝合金经固溶+时效处理后，再次加热到比时效更高的温度，保温一段时间后，快速冷却使材料恢复到固溶处理状态，此时对材料再次进行时效处理可以使其屈服及抗拉强度继续升高，这一热处理过程即回归再时效热处理。最终形变热处理是在铝合金经固溶+时效处理后，进行一定量的冷变形，然后再进行最终时效热处理，通过这种热处理工艺，铝合金材料的屈服强度可以得到很大程度提高。

热处理后铝合金板材的最终性能受温度、时间因素的影响。铝合金退火时，板材的抗拉强度随退火温度的升高而降低。淬火时板材的抗拉强度、伸长率随淬火加热温度的升高而增加。进行时效热处理时，随着时效热处理保温时间延长，板材的抗拉强度升高，电导率逐渐增加，但保温到一定时间时出现峰值后开始下降。热处理工艺对铝合金板材的力学性能和应力腐蚀敏感性有影响，2519铝合金板材经先高温后低温的双级时效处理（180 ℃×3 h+145 ℃×24 h）后力学性能最好，但抗应力腐蚀性能最差；经形变热处理（20 ℃×100 h+预变形15%+145 ℃×21 h）后的力学性能较好，抗应力腐蚀性能最好；过时效状态（180 ℃×30 h）下力学性能最差，抗应力腐蚀性能适中。2000 系铝合金的屈服强度比较高，热处理进行自然时效时其屈服强度进一步增加，之后的成形难度增加。在自然时效前，对其进行短时间的预时效，能够抑制随后时效过程中 GP 区的形成，降低自然时效的硬化效果，同时提高合金的应变硬化指数和延伸率，从而提高合金板材的成形性，如图1所示。6022铝合金在 500～560 ℃进行固溶处理时，晶粒大小基本不变，而第二相数量显著减少，超出该温度范围后晶粒粗化。560 ℃固溶处理后自然时效可获得最佳力学性能。时效前进行预时效，能有效抑制自然时效的不良影响并提高模拟烤漆后的烤漆性能。

板材液压成形是在模腔内充满液体的状态下将材料置于模面上，材料随冲头的前进被压人充满液体的模腔内，同时被液体产生的压力紧贴冲头，从而形成“摩擦保持效果”；而且液体可以从板料法兰与凹模间溢出，减少有害摩擦阻力而形成“溢流润滑效果”，因此使板料的成形极限得到极大的提高。板材液压成形利用静水压提高深拉延比并减少成形工件的厚度。常规冲压只有 2.0 左右极限深冲比的铝合金板，用该成形方法冲压可将极限冲压比提高到 2.3，超过软钢常法冲压的极限深冲比。有研究者使用一种辅以浮动圆盘的液压成形模具对 6061 板材进行成形。经试验发现，使用这种新的液压成形模具对板材进行成形时，液压成形过程的压边力、模腔压力与成形力均减小。郎利辉对铝合金 2B06 覆层板在三向应力作用下的成形性能进行了研究，板材发生颈缩时整体应变比单层板更大，成形板的等效应力减小，流动特性得到改善。

随着温度升高，材料的成形性增加。通常，在材料的再结晶温度以上的成形过程称为热成型，而材料在回复或再结晶温度以下、常温以上进行的成形工艺称为温成形。ZHONG H等在不同的温度条件下试验所获得的成形极限图表明，随着温度升高，成形极限曲线升高，板料的成形性提高。但用不同成形速度进行试验，成形速度过快时，即使是在较高的温度条件下，材料的成形性也无显著提高。LI等对5000系和6000系铝合金板材在不同温度条件下进行深拉试验，得到了较优的成形温度及其它的成形工艺条件。从合金热处理特性来看，5000 系铝合金板在温成形温度区间内成形性显著提高，易于控制，已有 5182-O 门内板、5083发动机罩等产品试制案例；而6000系铝合金板由于组织受温度影响较大，成形条件苛刻，产品的组织和性能难以控制。

压边力是板料成形技术中的重要控制手段，在实际深拉的过程中理想的压边力应该是变化的。韩丹莹等通过采用多级压边力方法，在成形初期和中期允许法兰轻微起皱的前提下使用低的防皱压力，在成形后期使用高的压边力从而消除这种轻微的起皱，达到提高工件成形极限的目的。传统的压边方式是采用刚性压边圈，压边力均匀分布在压边圈上。对于表面形状复杂的深拉件，深拉成形过程中金属材料的流动在各个部分是不均匀的，如果都采用恒定的均匀压边力，可能导致在同一零件上同时出现起皱和拉裂的现象。弹性结构的压边装置可以比较好地解决这个问题。余海燕等对铝合金板进行研究，以阶梯盒形件为研究对象进行深冲试验，通过多点压边力控制系统对恒压边力和变压边力方案的效果进行比较，结果发现，变压边力方案下的工件基本消除了恒压边力方案中出现的起皱和破裂，得到了很好的效果。

MUSTAFA 等采用不同的压边力对盒型件进行不同深度的拉深试验，研究压边力对其成形的影响。结果表明，压边力是时间的函数，通过控制压边力的变化，可以提高材料的成形性以及最终获得高质量零件。同时压边力还应与位置有关。通过对压边力的一系列控制，起皱现象得到很好的缓解，但并未完全消除。

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超塑性成形是指板材在一定的变形温度和变形速度条件下产生超塑性后的成形，铝合金的超塑性温度范围为 500～550 ℃，比温成形的温度高许多。超塑性成形能加工常规冲压工艺不能成形的复杂零件。超塑性成形法可分为阳模成形法和阴模成形法。阳模成形法适用于大型的浅成形件，而阴模法则适用于深成形件和复杂的成形件。

TROEGER等对6000系合金的超塑性研究表明，500 ℃以上时合金表现出超塑性。在 540 ℃应变速率为2×10-4～5×10-4 /s时，应变速率敏感性达到最大值0.5 /s。应变速率为5×10-4 /s时合金的单向拉伸延伸率最大达375%，对应的流变应力为4.7 MPa，如图2所示。周义等用铝合金以超塑性成形方式进行了汽车前挡泥板成形试验，在成形温度控制在450~500 ℃、最大胀形压力达到0.42 MPa的条件下，试验取得成功，整个成形时间为 30~60 min。梁继业等以 5083 铝合金为研究对象对车门的铝合金外板的正反胀超塑性成形工艺进行了研究，在480 ℃和应变速率为 1×10-3 /s 条件下，最大伸长可达到242%。虽然超塑性成形时间比一般成形工艺时间长，但在成形时材料塑性流动的阻力非常小，即使是复杂件也可以一次成形，因而其应用前景非常广泛。

材料的模型主要包括材料的应力-应变曲线、弹性模量、硬化指数、塑性应变比、泊松比。其中，材料的流变应力方程是材料模型里面最主要的部分之一。为准确模拟实际变形过程，必须有能够准确描述材料屈服行为的屈服准则。目前用于描述塑性变形的屈服准则主要有 Von-Mises 屈服准则、Tresca屈服准则以及Hill屈服准则。SIGUANG XU 等对 Hill 屈服准则进行研究，通过6111铝合金试验数据比较基于 Hill’s 1948 和Hill’s 1993屈服准则对与极限应变的预测，结果表明 Hill’s 1993 屈服准则可以很好描述铝合金板材局部缩颈行为。陈忠家等基于合金材料塑性变形过程中位错和溶质原子间相互作用的分析，建立了一个可用于描述锯齿形屈服现象的唯象本构模型。该模型将溶质原子对位错运动的钉扎效应和位错挣脱后的脱钉效应置于一个统一的框架内进行考虑，而这2个效应的相互竞争将决定材料宏观变形行为的发展演化。基于该模型的数值模拟结果和试验测试结果取得了良好的一致性，从而验证了理论和模型的有效性。

通常在对不锈钢板各向异性材料进行模拟时多使用 Von-Mises 或 Hill-48 屈服准则圈间的摩擦系数变化对冲压结果的影响比坯料与凹模间摩擦系数变化所产生的影响大，坯料与凹模之间的摩擦系数越大，对冲压结果就越不利，但这种不利影响随着坯料与凹模之间摩擦系数的进一步增大而明显减弱。在冲压条件不太理想时，仅仅依靠压边力的调整难以获得理想结果，不论冲压条件如何，压边力都存在一个最优值。

板材冲压成形过程中受许多工艺参数的影响，通过有限元模拟可以分析各参数对其影响规律，但不能通过简单的参数组合获得最佳的成形工艺。通过正交设计模拟分析各参数对板材成形性的影响，不但可以大大节约计算时间，而且可以获得最佳的成形工艺。汽车覆盖件成形时，冲压速度对产品质量的影响作用大于压边力、拉延筋和摩擦系数对产品质量的影响，冲压速度越大，产品的局部厚度越小。在模拟过程中发现，通过拉延筋的分布以及拉延阻力的设置，可以消除零件起皱和开裂现象。对成形后回弹量分析发现，成形质量好的工艺，其回弹量也小。

除成形工艺参数外，坯料的初始形状和网格的自适应技术、单元属性对冲压结果也会产生影响。研究发现，进行模拟成形时，若能促进板料的初始形状更好地与材料的流动规律相适应，就能改善板料最终的成形质量。通过对坯料局部形状的调整能进一步消除成形缺陷。在模拟时采用自适应网格技术能够在保证成形模拟精度的同时避免计算效率的下降。板料成形时，由于其厚度很小，因而通常采用2号BT壳单元，采用该单元进行模拟有较高的精度和较高的效率。成形时常在厚度方向上采用 3 个积分点，若进行回弹分析，则需采用16号全积分单元，并选用7个积分点。

覆盖件成形时发生弹性和塑性变形，卸载后弹性变形部分恢复而发生回弹现象。覆盖件的回弹严重影响产品的尺寸精度和表面质量，因而需要对产品回弹进行预测并加以控制。目前主要用有限元法对成形后的回弹进行研究。张凇等使用 Dynaform 有限元软件对汽车底座横梁外板的冲压成形后回弹进行仿真研究，并将回弹的模拟结果与试验结果进行比较，发现二者十分吻合，模拟能够准确预测成形后的回弹。

文献研究了板料成形过程中材料参数和工艺参数等对回弹的影响规律。回弹量的大小与材料的屈服强度、厚向异性系数成正比，与材料的弹性模量和硬化指数成反比。减小模具间间隙可以减小板料成形后的回弹量。随着压边力减小和凸模的圆角半径增大，回弹角增大。随着摩擦系数增大，回弹量减小。板料的厚度对成形后产品的回弹也有一定影响，板料厚度增加，成形后其回弹量减小。通过对各因素的正交分析发现，在相同的成形条件下，材料参数对回弹的影响最大，摩擦系数次之，压边力再次之，板料的厚度影响最小。

除研究各因素对回弹的影响外，张引引等考虑铝合金板材与模具间的接触演变过程，建立了一个有限元模型来预测铝合金板材变形后的回弹。模型中板材本构方程采用基于更新拉格朗日弹塑性的材料模型，卸载过程采用模具反向运动方法。对有限元敏感度分析发现，回弹大小和整体精度受到元素大小、积分点和屈服准则的影响很大。将模拟结果与试验对比分析，发现二者较好吻合。通过有限元分析得到了一个优化的模型，提供了一个更加精确的方法。