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摘要：超声应用于机械工程领域越来越广泛，但对其作用机理研究尚不完善，本文从超声作用的两大模型：“体积效应”和“表面效应”展开，以此来介绍国内外的研究现状及遇到的问题，并对后续的研究方向作出展望。
关键词：超声;体积效应;表面效应
0 引言
1955年，奥地利学者F.Blaha和B.Langenecker发现了金属的超声软化效应，超声作用于宏观金属的压力成形领域受到了广泛关注，并在许多宏观大制件的压力成形生产中，如挤压、轧制、拉拔、拉深等，得到实际应用。但对超声作用下金属屈服应力和流动应力显著下降的微观机理，一直处于探索、改进和完善的过程中。目前的大多数研究主要还是针对不同特定领域的研究，由于不同工况条件下超声作用存在一定差异，迄今为止，人们对超声作用机理的认识尚不完备，没有形成统一的理论。
很多学者对超声作用的机理进行了大量的研究，但大多还是基于G.R.Dawson提出的“体积效应”和“表面效应”模型[1]，这一模型对超声作用的机理有比较系统的划分。
1 体积效应
体积效应模型从微观角度描述了超声对材料内部微观结构的影响，也即所谓的“内摩擦”。体积效应理论认为：①外加的高能量振动会使材料内部微粒更活跃，引起晶粒出现共振或松弛，使得材料流动应力下降，出现“软化效应”。②对材料施加超声同加热有类似的效应，但其重要区别是，加热需要更多的能量才能得到与施加超声接近相同的应力-应变曲线。其内在机理被认为是材料对二者的吸收机制不同，声能主要是被塑性变形区（例如位错和晶界）的原子吸收，而加热过程中热能则被所有的原子吸收。
英国利物浦大学E.Mariani等学者研究了铝合金箔在超声焊接过程中材料微结构的变化过程[2]。他们使用频率20kHz的横向超声，施加不同的焊接压力，采用扫描电镜的电子背散衍射方法观察超声作用下铝箔在焊接过程中微结构的变化。实验结果指出，材料在不同焊接压力下其变形均通过非稳态位错滑移方式而不是位错攀升方式产生，材料内部的快速温度变化和快速的应变速率致使微结构也发生相应的快速变化，高速振动产生的摩擦热导致在焊合区产生连续不断的动态再结晶，使得晶粒尺寸大幅下降，通过扩散驱使晶界合并，原子在两焊接材料表面形成联锁而实现焊接。英国谢菲尔德大学A. Siddiq等学者也进行了类似的研究[3，4]。他们的研究虽非有关超声压力成形内摩擦的研究，但其研究方法亦具有一定的借鉴意义。
2 表面效应
表面效应模型则从宏观的角度描述了超声对材料与工具之间摩擦的影响，也即所谓的“外摩擦”。表面效应理论认为，振动使胚料与工具瞬间分离，从而改变摩擦力的反向，使摩擦促进变形加工，因振动产生的热效减少胚料与工具的黏焊现象。表面效应的影响因素主要有振动频率、振幅等。其他学者在研究中还提出了外摩擦的“飘浮模型”、“跳动模型”、“蠕动模型”等，这些都是为解释外摩擦的微观机理所做的各种努力。
表面效应理论从材料与工具间接触条件的变化给出了材料变形抗力下降的解释，但这种解释仍需进一步深入细化完善。相对于体积效应的研究而言，近年世界范围内对超声表面效应的研究相对较多，但主要集中在对刚性块状物体超声表面效应的研究，对塑性变形物体的研究仍不多见。
德国柏林技术大学V.L.Popov等学者近年对刚性物体的超声表面效应进行了研究[5，6，7]。研究表明，施加不同振动方向的超声，摩擦变化的总体趋势呈现下列规律：施加超声和在一定范围内增大超声振幅，摩擦系数会下降;在较小的滑动速度下，摩擦随振幅增大而减小的幅度较大;振幅较小时，摩擦系数随滑动速度增大而呈轻微下降趋势，但随着振幅的增大，摩擦系数与滑动速度呈单调增函数关系，振幅越大，摩擦系数减小的幅度越大;当超声振幅大到超过一定程度之后，由于样品被加热后边界层失效，摩擦系数反而会上升，如果再进一步增大振幅，会出现金属粘连和摩擦焊接现象，当表面微观結构呈现棘齿状时，即使外力消失，在振动的驱使下也会发生定向运动。在摩擦面内沿滑动方向施加振动的情况下，频率较低时，在某一滑动速度附近会出现摩擦系数的急剧变化，随着频率的增加，这一急剧变化变得越来越平坦，直到完全消失。在摩擦面内垂直于滑动方向施加振动的情况下，摩擦减小的总效应比摩擦面内沿滑动方向施加振动时更小些，而当滑行速度增大时，摩擦系数向最终值收敛的速度更快些。在垂直于滑动平面施加振动的情况下，一般认为，如果超声振幅足够大，样品会出现跳动，但理论分析和实验结果都表明，即使确保样品和平面接触，摩擦系数也会下降。研究者对上述研究还给出了定量理论分析结论，理论分析结论在一定条件下表达的摩擦变化趋势和实验结果吻合，但在某些情况下，如较小和较大的滑动速度下，理论数据和实验数据存在差异，甚至有相反的结论，这表明理论模型还需要进一步完善。
葡萄牙科因布拉大学L.Figueiredo等学者研究了刚性块料间摩擦与板料变形过程中摩擦的差异[8]。他们采用冷轧优质高强度钢DP600、铝合金AA1100与经热处理后的AISI D3钢分别构成不同摩擦副，实验发现，为研究材料间摩擦问题而广泛采用的刚性体摩擦实验得到的摩擦系数，总是低于板料变形过程的摩擦系数;同时发现，板料成形模具的表面粗糙度对摩擦系数有重要影响，粗糙度增大则摩擦系数上升。他们的研究，为构建研究刚性物体简单摩擦实验与真实板料变形摩擦之间的桥梁奠定了基础，使得过去研究者们努力获得的摩擦研究结果，可以通过一定的方式应用于指导板料变形研究和生产。同时也为目前广泛开展的数值模拟研究建立准确的金属变形摩擦模型奠定了基础。
重庆大学温彤等学者通过对AZ31镁合金进行高频拉伸和拉深实验，研究了超声对加工中变形行为的影响[9，10]。通过拉伸实验，对材料在高频振动下的变形行为有了更进一步的认识。拉深加工采用与拉伸实验相同的高频振动和薄板材料。拉深加工中，频率15kHz、最大激励能量2kW，振幅约为1～3um的纵向高频振动，振动经由螺纹直接耦合到冲头上，材料为厚度0.5mm的AZ31镁合金，冲头直径30mm，拉深速度3mm/min。通过对实验结果的观察，发现振幅对成型能力等的影响起决定性作用。一旦施加振动，成形载荷立即出现显著下降。AZ31板料成形能力随激励能量的增加先增大，进而下降，最终变为脆性。根据对塑性变形区域微结构的观察，样品在低振幅下（接近最大激励能量25%）比静态有更多的孪晶，而且分布更均匀，这证实发生了“软化”效应，AZ31的成形能力此时达到最大值。随着激励能量的增大，“体积效应”产生的“硬化”占据主导地位。当激励能量达到最大能量的75%时，仅在晶界处生长出少量孪晶，这证实发生了“硬化”效应，材料呈现脆性。因此，适当选择超声振幅参数对利用超声增大塑性变形能力是非常重要的。从样品的失效模式可以发现，在加润滑油的情况下，样品断裂呈均匀分布的趋势。 3 結束语
尽管现有理论对超声微成形具有一定的参考价值和指导意义，但总体上理论研究还比较滞后。有些现象还不能用现有的理论来进行解释。横向载荷与纵向载荷、振幅与频率等外加因素对金属材料塑性变形的影响还缺乏更深入的了解，没有形成更具体的理论模型，而这也直接制约了超声在压力成形领域的应用范围。
参考文献：
[1]G.R.Dawson， C.E.Winsper， D.H.Sansome. Application of high-frequency and low-frequency oscillations to the plastic deformation of metal[J]. Metal Forming， 1970，8，234～238/1970，9，254-261.
[2]E.Mariani， E.Ghassemieh. Microstructure evolution of 6061 O Al alloy during ultrasonic consolidation： an insight from electron backscatter diffraction[J]. Acta Materialia， 2010， 58：2492-2503.
[3]Z.Zhu， B.P.Wynne， E.Ghassemieh， A.Siddiq， Microstructural analysis of ultrasonic welded AA6061 by electron backscattered diffraction， Rare Metal Materials and Engineering， 2009， 38：147-151.
[4]A.Siddiq， T.Sayed， Acoustic softening in metals during ultrasonic assisted deformation via CP-FEM[J]. Materials Letters， 2011， 65：356-359.
[5]V.L.Popov， J.Starcevic， A.E.Filippov. Influence of ultrasonic in-plane oscillations on static and sliding friction and intrinsic length scale of dry friction processes[J]. Tribology Letter， 2010， 39：25-30.
[6]E.Teidelt， V.L.Popov， J.Starcevic. Influence of In-Plane and Out-of-Plane Ultrasonic Oscillations on Sliding Friction[J]. SAE International Journal of Passenger Cars Mechanical Systems， 2011， 4（3）：1387-1393.
[7]E.Teidelt， J.Starcevic， V.L.Popov. Influence of Ultrasonic Oscillation on Static and Sliding Friction[J]. Tribology Letter， 2012， 48：51-62.
[8]L.Figueiredo， A.Ramalho， M.C.Oliveira， L.F.Menezes. Experimental study of friction in sheet metal forming[J]. Wear， 2011，27（9-10）： 1651-1657.
[9]T.Wen， L.Wei， X.Chen. C.L.Pei， Effects of ultrasonic vibration on plastic deformation of AZ31 during the tensile process[J]. 2011， 18（1）：70-76.
[10]T.Wen， R.Gao， X.Chen. Influence of high frequency vibration on deep drawing process of AZ31 sheet at room temperature[J]. Journal of Shanghai Jiaotong University （Science）， 2012， 17（4）： 456-460.
关键词：超声;体积效应;表面效应
0 引言
1955年，奥地利学者F.Blaha和B.Langenecker发现了金属的超声软化效应，超声作用于宏观金属的压力成形领域受到了广泛关注，并在许多宏观大制件的压力成形生产中，如挤压、轧制、拉拔、拉深等，得到实际应用。但对超声作用下金属屈服应力和流动应力显著下降的微观机理，一直处于探索、改进和完善的过程中。目前的大多数研究主要还是针对不同特定领域的研究，由于不同工况条件下超声作用存在一定差异，迄今为止，人们对超声作用机理的认识尚不完备，没有形成统一的理论。
很多学者对超声作用的机理进行了大量的研究，但大多还是基于G.R.Dawson提出的“体积效应”和“表面效应”模型[1]，这一模型对超声作用的机理有比较系统的划分。
1 体积效应
体积效应模型从微观角度描述了超声对材料内部微观结构的影响，也即所谓的“内摩擦”。体积效应理论认为：①外加的高能量振动会使材料内部微粒更活跃，引起晶粒出现共振或松弛，使得材料流动应力下降，出现“软化效应”。②对材料施加超声同加热有类似的效应，但其重要区别是，加热需要更多的能量才能得到与施加超声接近相同的应力-应变曲线。其内在机理被认为是材料对二者的吸收机制不同，声能主要是被塑性变形区（例如位错和晶界）的原子吸收，而加热过程中热能则被所有的原子吸收。
英国利物浦大学E.Mariani等学者研究了铝合金箔在超声焊接过程中材料微结构的变化过程[2]。他们使用频率20kHz的横向超声，施加不同的焊接压力，采用扫描电镜的电子背散衍射方法观察超声作用下铝箔在焊接过程中微结构的变化。实验结果指出，材料在不同焊接压力下其变形均通过非稳态位错滑移方式而不是位错攀升方式产生，材料内部的快速温度变化和快速的应变速率致使微结构也发生相应的快速变化，高速振动产生的摩擦热导致在焊合区产生连续不断的动态再结晶，使得晶粒尺寸大幅下降，通过扩散驱使晶界合并，原子在两焊接材料表面形成联锁而实现焊接。英国谢菲尔德大学A. Siddiq等学者也进行了类似的研究[3，4]。他们的研究虽非有关超声压力成形内摩擦的研究，但其研究方法亦具有一定的借鉴意义。
2 表面效应
表面效应模型则从宏观的角度描述了超声对材料与工具之间摩擦的影响，也即所谓的“外摩擦”。表面效应理论认为，振动使胚料与工具瞬间分离，从而改变摩擦力的反向，使摩擦促进变形加工，因振动产生的热效减少胚料与工具的黏焊现象。表面效应的影响因素主要有振动频率、振幅等。其他学者在研究中还提出了外摩擦的“飘浮模型”、“跳动模型”、“蠕动模型”等，这些都是为解释外摩擦的微观机理所做的各种努力。
表面效应理论从材料与工具间接触条件的变化给出了材料变形抗力下降的解释，但这种解释仍需进一步深入细化完善。相对于体积效应的研究而言，近年世界范围内对超声表面效应的研究相对较多，但主要集中在对刚性块状物体超声表面效应的研究，对塑性变形物体的研究仍不多见。
德国柏林技术大学V.L.Popov等学者近年对刚性物体的超声表面效应进行了研究[5，6，7]。研究表明，施加不同振动方向的超声，摩擦变化的总体趋势呈现下列规律：施加超声和在一定范围内增大超声振幅，摩擦系数会下降;在较小的滑动速度下，摩擦随振幅增大而减小的幅度较大;振幅较小时，摩擦系数随滑动速度增大而呈轻微下降趋势，但随着振幅的增大，摩擦系数与滑动速度呈单调增函数关系，振幅越大，摩擦系数减小的幅度越大;当超声振幅大到超过一定程度之后，由于样品被加热后边界层失效，摩擦系数反而会上升，如果再进一步增大振幅，会出现金属粘连和摩擦焊接现象，当表面微观結构呈现棘齿状时，即使外力消失，在振动的驱使下也会发生定向运动。在摩擦面内沿滑动方向施加振动的情况下，频率较低时，在某一滑动速度附近会出现摩擦系数的急剧变化，随着频率的增加，这一急剧变化变得越来越平坦，直到完全消失。在摩擦面内垂直于滑动方向施加振动的情况下，摩擦减小的总效应比摩擦面内沿滑动方向施加振动时更小些，而当滑行速度增大时，摩擦系数向最终值收敛的速度更快些。在垂直于滑动平面施加振动的情况下，一般认为，如果超声振幅足够大，样品会出现跳动，但理论分析和实验结果都表明，即使确保样品和平面接触，摩擦系数也会下降。研究者对上述研究还给出了定量理论分析结论，理论分析结论在一定条件下表达的摩擦变化趋势和实验结果吻合，但在某些情况下，如较小和较大的滑动速度下，理论数据和实验数据存在差异，甚至有相反的结论，这表明理论模型还需要进一步完善。
葡萄牙科因布拉大学L.Figueiredo等学者研究了刚性块料间摩擦与板料变形过程中摩擦的差异[8]。他们采用冷轧优质高强度钢DP600、铝合金AA1100与经热处理后的AISI D3钢分别构成不同摩擦副，实验发现，为研究材料间摩擦问题而广泛采用的刚性体摩擦实验得到的摩擦系数，总是低于板料变形过程的摩擦系数;同时发现，板料成形模具的表面粗糙度对摩擦系数有重要影响，粗糙度增大则摩擦系数上升。他们的研究，为构建研究刚性物体简单摩擦实验与真实板料变形摩擦之间的桥梁奠定了基础，使得过去研究者们努力获得的摩擦研究结果，可以通过一定的方式应用于指导板料变形研究和生产。同时也为目前广泛开展的数值模拟研究建立准确的金属变形摩擦模型奠定了基础。
重庆大学温彤等学者通过对AZ31镁合金进行高频拉伸和拉深实验，研究了超声对加工中变形行为的影响[9，10]。通过拉伸实验，对材料在高频振动下的变形行为有了更进一步的认识。拉深加工采用与拉伸实验相同的高频振动和薄板材料。拉深加工中，频率15kHz、最大激励能量2kW，振幅约为1～3um的纵向高频振动，振动经由螺纹直接耦合到冲头上，材料为厚度0.5mm的AZ31镁合金，冲头直径30mm，拉深速度3mm/min。通过对实验结果的观察，发现振幅对成型能力等的影响起决定性作用。一旦施加振动，成形载荷立即出现显著下降。AZ31板料成形能力随激励能量的增加先增大，进而下降，最终变为脆性。根据对塑性变形区域微结构的观察，样品在低振幅下（接近最大激励能量25%）比静态有更多的孪晶，而且分布更均匀，这证实发生了“软化”效应，AZ31的成形能力此时达到最大值。随着激励能量的增大，“体积效应”产生的“硬化”占据主导地位。当激励能量达到最大能量的75%时，仅在晶界处生长出少量孪晶，这证实发生了“硬化”效应，材料呈现脆性。因此，适当选择超声振幅参数对利用超声增大塑性变形能力是非常重要的。从样品的失效模式可以发现，在加润滑油的情况下，样品断裂呈均匀分布的趋势。 3 結束语
尽管现有理论对超声微成形具有一定的参考价值和指导意义，但总体上理论研究还比较滞后。有些现象还不能用现有的理论来进行解释。横向载荷与纵向载荷、振幅与频率等外加因素对金属材料塑性变形的影响还缺乏更深入的了解，没有形成更具体的理论模型，而这也直接制约了超声在压力成形领域的应用范围。
参考文献：
[1]G.R.Dawson， C.E.Winsper， D.H.Sansome. Application of high-frequency and low-frequency oscillations to the plastic deformation of metal[J]. Metal Forming， 1970，8，234～238/1970，9，254-261.
[2]E.Mariani， E.Ghassemieh. Microstructure evolution of 6061 O Al alloy during ultrasonic consolidation： an insight from electron backscatter diffraction[J]. Acta Materialia， 2010， 58：2492-2503.
[3]Z.Zhu， B.P.Wynne， E.Ghassemieh， A.Siddiq， Microstructural analysis of ultrasonic welded AA6061 by electron backscattered diffraction， Rare Metal Materials and Engineering， 2009， 38：147-151.
[4]A.Siddiq， T.Sayed， Acoustic softening in metals during ultrasonic assisted deformation via CP-FEM[J]. Materials Letters， 2011， 65：356-359.
[5]V.L.Popov， J.Starcevic， A.E.Filippov. Influence of ultrasonic in-plane oscillations on static and sliding friction and intrinsic length scale of dry friction processes[J]. Tribology Letter， 2010， 39：25-30.
[6]E.Teidelt， V.L.Popov， J.Starcevic. Influence of In-Plane and Out-of-Plane Ultrasonic Oscillations on Sliding Friction[J]. SAE International Journal of Passenger Cars Mechanical Systems， 2011， 4（3）：1387-1393.
[7]E.Teidelt， J.Starcevic， V.L.Popov. Influence of Ultrasonic Oscillation on Static and Sliding Friction[J]. Tribology Letter， 2012， 48：51-62.
[8]L.Figueiredo， A.Ramalho， M.C.Oliveira， L.F.Menezes. Experimental study of friction in sheet metal forming[J]. Wear， 2011，27（9-10）： 1651-1657.
[9]T.Wen， L.Wei， X.Chen. C.L.Pei， Effects of ultrasonic vibration on plastic deformation of AZ31 during the tensile process[J]. 2011， 18（1）：70-76.
[10]T.Wen， R.Gao， X.Chen. Influence of high frequency vibration on deep drawing process of AZ31 sheet at room temperature[J]. Journal of Shanghai Jiaotong University （Science）， 2012， 17（4）： 456-460.