《JOURNAL OF MATERIALS PROCESSING TECHNOLOGY》：Ultrasonic extrusion reformed step clinching of steel/aluminum joints: Deformation redistribution, failure transition, and impact tolerance
编辑推荐：
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超声波重组使塑性应变重新分布到互锁区域。
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体积效应和表面效应分别控制变形能力和流动方向
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超声波重组使塑性应变重新分布到互锁区域。
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体积效应和表面效应分别控制变形能力和流动方向。
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载荷传递导致失效方式从颈部断裂转变为铝互锁 pull-out（即铝材料的拔出）。
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重建的载荷路径延缓了刚度的下降，并提高了冲击后的稳定性。
引言
多材料汽车车身的日益普及大大增加了对先进高强度钢与铝合金可靠连接的需求。铝合金因其低密度和良好的成型性而受到重视，而高强度钢则提供了承载区域所需的强度和碰撞能量吸收能力。这两种材料在熔化行为、热膨胀和冶金兼容性方面存在显著差异。固态焊接工艺可以抑制界面冶金反应，但所得接头的质量仍高度依赖于工具状态和界面稳定性[1]。相比之下，夹紧技术通过局部塑性变形实现机械互锁，无需加热和额外的紧固件；这种固有的简便性使其成为高效钢/铝混合结构的理想选择[2][3]。
夹紧接头的截面几何形状是由材料流动和成形过程中的局部损伤演变共同决定的。因此，最近的研究不仅关注几何特征，还研究了应力-应变历史和相应的局部材料状态。Lambiase和Di Ilio[4]将夹紧过程中的局部损伤与成形应力-应变路径相关联，并指出接头几何形状的发展与损伤积累相一致。Bielak等人[5]观察到，板材预成形产生的初始塑性状态会影响后续的材料流动和接头几何形状，即使工艺参数相同，接头质量也会有所不同。Kupfer等人[6]建立了材料状态、界面摩擦、局部硬化和承载行为之间的连续过程-微观结构-性能关系。截面几何形状、成形历史和材料状态的空间分布为评估夹紧接头质量提供了基础。
为了解决互锁不足和颈部减薄的问题，人们对工具设计和成形路径进行了多种改进。阶梯式夹紧[7]、使用管状铆钉重新处理[8]和中心冲孔方法[9]通过改变局部材料流动来改善接头几何形状，而孔式夹紧[10]和辅助层的使用[11]则减少了低延展性板材所需的塑性变形。在钢和铝的粘合夹紧中，粘合剂起到润滑作用，有助于保持颈部厚度，但会延缓互锁形成；过高的压板力也可能导致钢颈部开裂[12]。阶梯式夹紧(SC)提高了高强度钢与铝合金接头之间的几何质量和静态承载能力。在当前的改进型阶梯式夹紧(RSC)工艺中，机械重组会压低底部凸起并诱导反向材料流动，从而增大互锁量，但会在颈部和底部到颈部的过渡区域集中局部应变。因此，如何在增大互锁量、保持颈部厚度和局部变形之间取得平衡仍是一个持续的挑战。
场辅助成形提供了一种主动操纵受限材料流动的方法。自从认识到金属的声学软化效应以来，人们已经开始关注振动对变形阻力、界面摩擦和微观结构演变的影响[13]。Hung等人[14]观察到在超声波辅助下对6061-T6铝合金进行 upsetting（一种成形工艺）时，位错活动和微观结构发生了变化。Bagherzadeh等人[15]报告称，在超声波振动辅助的等通道角压成形过程中，塑性变形和硬度分布更加均匀。Lin等人[16]将摩擦变化与材料在超声波辅助压缩下的本构响应分离。Cheng等人[17]将超声波效应纳入增量成形的本构描述中，而Wan等人[18]研究了表面效应和体积效应对超声波微挤压过程中材料流动的共同影响。深拉和振动辅助 upsetting的研究进一步证明了振动对成形载荷、界面约束和材料流动的影响[19][20]。
对钢/铝夹紧的研究已从接头几何形状扩展到模具配置、材料配对、界面摩擦、成形路径和辅助能量场等方面。现有工艺可以在特定条件下改善接头几何形状或承载能力，但不同材料的变形兼容性、局部约束和服务可靠性仍紧密相关。在连接高强度钢和铝合金时，材料流动控制着互锁的形成和颈部的保持，而局部变形和残余状态则决定了后续的载荷传递和失效稳定性。超声波振动在重组过程中引起的塑性应变重新分布及其对承载行为的影响尚未得到系统研究。
本研究在SC接头重组过程中引入了高频超声波振动。超声波的体积效应改变了材料的本构响应，而表面效应则改变了接触界面处的摩擦和微滑移；这两种机制共同调节了塑性应变的空间分布。使用ABAQUS/Explicit软件开发了一个二维轴对称有限元模型来分析材料流动、应力场和累积的塑性应变。通过拉伸-剪切试验、数字图像相关性(DIC)和扫描电子显微镜(SEM)断裂表面分析，研究了载荷传递和损伤演变。通过落锤冲击试验和冲击后的拉伸-剪切试验评估了残余承载能力。成形过程中建立的变形重新分布会在卸载后持续存在于材料状态中，并随后影响载荷传递和失效。
章节摘录
材料
使用了厚度为2.0毫米的冷轧DP590钢和6063-T6铝合金板材。将板材切割成25毫米×80毫米的试样，其纵向方向与轧制方向一致。按照GB/T 228.1–2021标准，使用Instron 5982万能试验机在1毫米/分钟的恒定 Crosshead 速度下进行了准静态拉伸试验。DP590钢和6063-T6铝合金的机械性能见表1。
有限元模型和边界条件
在ABAQUS/Explicit中开发了一个DP590钢与6063-T6铝合金接头的二维轴对称有限元模型。模型配置和边界条件如图3所示。通过显式动态分析模拟了SC和UES两个连续阶段。上层的DP590板材和下层的6063-T6板材被定义为可变形体，而冲头、模具、压板和超声波辅助(UA)工具则被建模为刚性体。
不同成形和重组条件下的接头几何形状
图4比较了通过夹紧(SC)、RSC和UES得到的截面形态。对于每种条件，随机选取了三个独立的接头，沿中心平面切割并进行了金相分析。在图4中，tn、tu和X分别表示颈部厚度、互锁量和底部厚度。首先对每个接头的测量结果进行平均，然后计算出三个独立接头的整体平均值和标准差。
结论
通过分析UES过程中的塑性应变重新分布和载荷路径的重建，建立了工艺参数、材料流动、残余状态和失效行为之间的关系。主要结论如下：
作者贡献声明
Chao Chen：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原始稿，监督，研究，资金获取。 Yanghu Hu：研究。 Yan Lu：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原始稿，可视化，验证，软件，方法学，研究，形式分析，概念化。
作者声明没有已知的利益冲突或个人关系可能影响本文的研究工作。
本研究工作得到了国家自然科学基金（项目编号：52275398）、国家金属成形技术与重型装备重点实验室项目（项目编号：B2408100.W04）、湖南省自然科学基金（项目编号：2026JJ20048）、湖南省自然科学基金（项目编号：2025JJ80209）以及湖南省教育厅科学研究基金（项目编号：24B0013）的支持。作者感谢湖南的Wanting Li。
Yan Lu|Yanghu Hu|Chao Chen
