熱拉伸脹形測試：材料高溫塑性變形行為的關鍵評估手段

一、引言

在航空航天、汽車制造、新能源等高端裝備領域，許多關鍵零部件（如飛機機翼蒙皮、汽車熱沖壓車門框、電池鋁箔外殼）均需通過高溫成形工藝（如熱沖壓、熱鍛造、熱脹形）制備。這些工藝中，材料處于高溫環境與拉-拉復合應力狀態（即同時受到軸向拉伸與徑向脹形的聯合作用），其塑性變形行為顯著不同于室溫或單向拉伸條件下的表現。傳統單向熱拉伸測試僅能評估材料在單一應力狀態下的性能，難以準確預測實際成形過程中的破裂、起皺等缺陷。因此，熱拉伸脹形測試（Thermal Tensile Bulging Test）應運而生，成為模擬實際成形條件、評估材料高溫復合應力塑性的核心手段。

二、熱拉伸脹形測試的基本原理

熱拉伸脹形測試的核心是模擬材料在高溫下的復合應力狀態。與單向熱拉伸僅施加軸向力不同，該測試通過雙加載系統（軸向拉伸裝置+徑向脹形裝置），對圓盤狀試樣同時施加軸向拉伸力（F?）與徑向脹形力（通常通過液壓或氣壓介質傳遞，F?），使試樣處于拉-拉復合應力場（σ?>σ?>0，其中σ?為軸向主應力，σ?為徑向主應力）。

測試中，材料的變形行為由**溫度（T）、應變率（ε?）、應力狀態（σ?/σ?）**共同決定。通過控制這三個參數，可模擬不同成形工藝（如熱沖壓的高應變率、熱脹形的慢應變率）下的材料響應。關鍵評估指標包括：

• 成形極限圖（FLD）：反映材料在不同應力狀態下的最大可成形應變，預測破裂缺陷；
• 塑性應變比（r值）：表征材料的各向異性，影響成形件的厚度均勻性；
• 硬化指數（n值）：描述材料的加工硬化能力，決定成形過程中的力傳遞效率；
• 脹形高度（h）：直接反映材料的徑向擴展能力，是評估脹形成形性的直觀指標。

三、熱拉伸脹形測試的設備組成

一套完整的熱拉伸脹形測試系統需集成加熱系統、加載系統、測量系統、控制系統四大核心模塊，確保測試條件的準確性與重復性。

1. 加熱系統

用于將試樣加熱至目標溫度（通常為200~1200℃，取決于材料類型），并維持溫度均勻性。常見加熱方式包括：

• 感應加熱：通過電磁感應產生渦流加熱試樣，升溫速度快（可達100℃/s以上），溫度均勻性好（±5℃以內），適用于高應變率熱成形模擬；
• 電阻加熱：通過試樣自身電阻發熱，設備簡單，但升溫速度較慢（≤10℃/s），適用于慢應變率測試；
• 激光加熱：通過激光束掃描試樣表面，加熱區域可控，適用于局部高溫成形模擬（如激光輔助熱脹形）。

2. 加載系統

需同時提供軸向拉伸力與徑向脹形力，并保證兩者的同步性（誤差≤1%）。軸向拉伸通常由伺服液壓油缸驅動，徑向脹形則通過液壓腔或氣壓腔向試樣內部施加壓力（介質可為油或氮氣）。加載系統的關鍵性能是力-位移閉環控制，確保在測試過程中按預設的應變率（如ε?=0.001~10 s?¹）加載。

3. 測量系統

用于實時采集試樣的溫度、應變、應力、脹形高度等參數，核心設備包括：

• 溫度測量：紅外測溫儀（非接觸，避免影響試樣變形）或熱電偶（接觸式，適用于低速測試）；
• 應變測量：數字圖像相關技術（DIC），通過拍攝試樣表面的隨機斑點圖案，計算全場應變分布（精度可達±0.01%），是高溫下最常用的應變測量方法；
• 應力測量：通過加載系統的力傳感器（精度≤0.5%）獲取軸向力與脹形力，結合試樣尺寸計算應力；
• 脹形高度測量：激光位移傳感器（非接觸）或線性可變差動變壓器（LVDT，接觸式），實時記錄試樣中心的脹起高度。

4. 控制系統

通過計算機軟件整合加熱、加載、測量系統，實現溫度-力-應變的協同控制。例如，在熱沖壓模擬中，需先將試樣快速加熱至奧氏體化溫度（如950℃），保溫10~30秒，再以高應變率（ε?=1~10 s?¹）施加軸向拉伸與脹形力，模擬實際生產線的“快速加熱-快速成形”過程。

四、熱拉伸脹形測試的操作步驟

以**汽車熱沖壓硼鋼（22MnB5）**的熱拉伸脹形測試為例，具體步驟如下：

1. 試樣制備

采用圓盤試樣（直徑D=100mm，厚度t=1.5mm），邊緣設計為夾持凸緣（寬度10mm），便于軸向拉伸裝置固定。試樣表面需打磨拋光（粗糙度Ra≤0.8μm），并噴涂隨機斑點圖案（如黑色啞光漆+白色點），用于DIC應變測量。

2. 預處理

將試樣放入真空干燥箱（100℃，2小時），去除表面油污與水分；安裝熱電偶（若采用接觸式測溫），并連接DIC系統的攝像頭。

3. 試樣安裝

將試樣固定在測試設備的軸向夾持裝置（上下夾頭）與徑向脹形腔（下模）之間，確保試樣中心與脹形腔中心對齊（偏差≤0.5mm）。

4. 加熱與保溫

啟動感應加熱系統，將試樣快速加熱至950℃（升溫速度50℃/s），保溫20秒，使試樣完全奧氏體化。

5. 加載成形

同時啟動軸向拉伸系統（拉伸速度10mm/s）與徑向脹形系統（脹形壓力10MPa），按預設的應變率（ε?=5 s?¹）加載。DIC系統實時記錄試樣表面的應變分布，力傳感器記錄軸向力與脹形力，激光位移傳感器記錄脹形高度。

6. 卸載與冷卻

當試樣達到預設的脹形高度（如20mm）或出現破裂時，停止加載，快速卸載軸向力與脹形力。隨后，采用強制空冷（風速5m/s）模擬熱沖壓后的淬火過程，使試樣形成馬氏體組織。

7. 結果分析

通過軟件處理DIC數據，繪制成形極限圖（FLD），確定材料在950℃、ε?=5 s?¹條件下的最大可成形應變（如ε?=0.35，ε?=0.15）；計算塑性應變比（r=ε?/ε?=0.43），評估材料的各向異性；結合脹形高度與力-位移曲線，優化熱沖壓工藝參數（如加熱溫度、加載速率）。

五、熱拉伸脹形測試的工業應用

熱拉伸脹形測試的價值在于將材料性能與實際成形工藝緊密結合，其應用場景涵蓋多個高端制造領域：

1. 航空航天：高溫合金與鈦合金成形

航空發動機的渦輪葉片、機匣等零部件采用高溫合金（如Inconel 718）或鈦合金（如Ti-6Al-4V），需通過熱脹形、熱鍛造工藝制備。熱拉伸脹形測試可評估材料在600~1000℃下的復合應力塑性，優化成形溫度與加載速率，避免葉片成形過程中的熱裂紋與晶粒長大缺陷。

2. 汽車制造：熱沖壓鋼成形

汽車車身的高強度零部件（如A柱、B柱）采用熱沖壓硼鋼（22MnB5），其成形過程為“加熱-成形-淬火”一體化。熱拉伸脹形測試可模擬熱沖壓中的高應變率（ε?=1~10 s?¹）與復合應力狀態，繪制FLD圖，預測車門框成形時的破裂位置（通常在曲率較大的拐角處），指導模具設計（如增加圓角半徑）。

3. 新能源：電池鋁箔脹形成形

新能源電池的鋁箔外殼（如圓柱電池的正極鋁箔）需通過熱脹形工藝制備，要求材料具有良好的徑向擴展能力與厚度均勻性。熱拉伸脹形測試可評估鋁箔（如1060鋁合金）在150~300℃下的脹形高度與應變分布，優化脹形壓力與溫度，避免鋁箔薄化破裂（厚度減薄率≤15%）。

六、熱拉伸脹形測試的挑戰與展望

盡管熱拉伸脹形測試已廣泛應用，但仍面臨以下挑戰：

1. 溫度均勻性控制

試樣加熱時，邊緣（與夾持裝置接觸）易散熱，導致中心-邊緣溫度梯度（可達20~50℃），影響應變分布的準確性。未來可采用激光加熱或感應加熱+保溫套技術，降低溫度梯度。

2. 加載同步性

軸向拉伸與徑向脹形的力需嚴格同步（誤差≤1%），否則會導致試樣偏載（如邊緣拉伸過度、中心脹形不足）。未來可采用伺服液壓系統與實時反饋控制（如基于DIC的應變閉環控制），提高加載同步性。

3. 高溫測量精度

高溫下（>800℃），試樣表面的熱輻射會干擾DIC的圖像采集，導致應變測量誤差（可達±0.5%）。未來可采用高靈敏度攝像頭（如近紅外攝像頭）或冷卻式鏡頭，減少熱輻射的影響。

4. 材料熱穩定性

高溫下，材料可能發生相變（如22MnB5的奧氏體化）或晶粒長大（如Inconel 718的晶粒粗化），影響測試結果的重復性。未來可通過快速加熱-快速成形（如感應加熱+伺服液壓加載），縮短試樣在高溫下的停留時間，減少相變與晶粒長大的影響。

七、

熱拉伸脹形測試作為模擬實際成形條件的熱塑性評估手段，其核心價值在于揭示材料在高溫復合應力下的塑性變形行為，為高端裝備的成形工藝優化提供關鍵數據。隨著航空航天、汽車、新能源等領域對材料性能要求的不斷提高，熱拉伸脹形測試將向更精準的溫度控制、更同步的加載系統、更齊全的測量技術方向發展，成為材料科學與工業應用之間的重要橋梁。

未來，結合有限元模擬（FEA）與機器學習（ML）的熱拉伸脹形測試系統將成為趨勢：通過FEA預測試樣的應力-應變分布，指導測試參數設計；通過ML分析大量測試數據，建立材料的熱塑性本構模型（如Johnson-Cook模型、Hosford模型），進一步提高成形缺陷預測的準確性。這些發展將推動熱拉伸脹形測試從“實驗工具”向“智能設計平臺”轉型，為高端制造領域的材料研發與工藝優化提供更強大的支持。