智能金属板坯1100铝合金微冲击挤压工艺研究(2)
段。20世纪50年代，人们提出了智能结构，当时称为自适应系统（Adaptive System）。1988
年，美国陆军研究办公室组织了首届专题研讨会，1989 年，日本航空电子技术审议会也提出
了相应的研究。开始时美、日分别用“机敏”（Smart）和“智能”（Intelligent）一类的定义语[1]。智能材料一般应具有下列智能特点：
（1）具有感知功能，可感知并识别外界（或内部）的刺激强度，如应力、热、光、电磁、辐射等。 （2）具有信息传输功能，以设定的优化方式选择和控制响应。
（3）具有对外环境变化做出响应及执行的功能。
（4）反应灵敏，恰当。
（5）外部刺激条件消失后能迅速恢复到原始状态。
智能结构具备以上特点，其基本功能是：能感知周围环境的变化，并能根据变化做出适
当的反应。智能结构一般包括传感器、致动器和控制器三部分。目前，智能结构已广泛应用
到航空航天（如，智能蒙皮、翼面的气动弹性设计、飞行状态的监测等）、汽车行业（压电陶
瓷、形状记忆合金等）、土木工程（如，光纤传感器在混凝土固化监测应用、桥梁的监测和振
动损伤控制等）以及机器人等领域。而智能金属结构件是提高资源利用率，产品安全和性能
的关键所在。早期人们通过粘结，将传感器和致动器集成在两个金属薄板间得到所需的智能结构[2,3,4,5]。 1.2 微成形技术简介
智能金属板的微冲击挤压成形是一种重要的微成形方法。微成形(microforming)是指材料
有至少二文尺度上是在亚毫米数量级内成形的技术[6]
。微成形与传统的塑性成形类似，并继材料的状态可以分为：固态成形和液态成形。其中固态成形包括锻压、挤压、拉深、冲裁、
弯曲等利用金属材料的塑性进行加工成形的方法，而液态成形主要包括注塑和铸造[7]。
1.2.1 尺寸效应
尽管微成形的工艺和原理与传统的塑性变形方法有很多的相似之处，但是它并不是传统
塑性成形工艺的简单的几何缩小。由于尺寸效应的原因，微成形技术会表现出与传统塑性变
形不同的地方，尺寸效应也是微成形理论的重要研究方向。尺寸效应主要受材料自身属性，
工件形状、尺寸及表面特征等因素的影响。出现尺寸效应的原因，目前可以理解为，与传统
塑性成形相比，微成形原材料的几何尺寸和相关的工艺参数按比例缩小的同时，有一些参数
并未按比例缩小，而是保持不变的，比如材料的微观晶粒度及表面粗糙度等，从而导致材料
的成形过程、变化规律和成形性能等表现出独特规律[8]。 在对微成形理论的研究过程中,人们发现流动应力和摩擦条件是影响尺寸效应的两大因
素。Geiger等人通过不同尺寸微型圆柱的镦粗实验[6]发现, 在成形过程中，材料的流动应力随
着其尺寸的减小而减小。这种现象可通过Engel等提出的“表面层模型”来解释[9]。晶粒尺寸一定时，随着材料尺寸的减小，变形过程中表面晶粒占总晶粒数的比例增大，
而相对于内部晶粒，表面晶粒由于变形受到的阻力和约束小，流动应力相应也较小，故导致
整块材料整体流动应力相应减小。
在微成形过程中，人们发现摩擦条件，包括材料与模具之间、模具与模具之间的摩擦都
会对成形质量产生非常大的影响。Tiesler 等通过环形压缩实验[10]发现, 随着试样尺寸减小，摩擦系数会增加。Tiesler[10]和Engel[9]等通过双杯挤压实验研究证实了这一结论。