2009年《中国能源发展报告》中指出我国机动车占石油燃料的消耗比重约为60%，而且随着经济的不断发展，汽车的销售量也在不断攀升。为了减少环境污染，汽车行业的节能减排越来越受到人们的重视，目前常见的汽车节能减排措施包括：（1）提高汽车的燃油效率；（2）研发新的传动系统，比如混合动力传动系统等；（3）进行汽车的轻量化设计。其中，汽车的轻量化设计是最容易实现且成本较低的一种措施。近年来，关于汽车轻量化设计的研究越来越多，仅轻量化材料的选择就多种多样，比如高强钢、铝合金、镁合金和复合材料等。铝合金具有密度小、比强度高、耐腐蚀性好和易加工等优点，被越来越多的应用到汽车行业。但是与传统的钢材相比，铝合金的成形性能较差，尤其是在大变形零部件的加工过程中，比如弯曲、卷边和翻边等，常出现破裂现象。因此，在铝合金板材的加工过程中常需要采用特殊的加工工艺。目前常见的铝合金板材特殊加工工艺包括温成形、超塑性成形、液压成形和电磁成形等等。2007年，美国通用汽车公司（GM）提出了一种新颖的用于提高铝合金成形性能的特殊加工工艺：预成形退火加工工艺（Preform Annealing）。该加工工艺将传统的板料一步成形分解成两步成形，并在中间增加一个高温退火过程。与其他的特殊加工工艺相比，该加工工艺成本较低且能在常温下进行铝合金板材的成形加工。目前关于预成形退火加工工艺的研究主要是针对5xxx系列非时效硬化铝合金（即热处理过程中并没有析出相发生变化的铝合金）。2006年，Lee等人曾采用AA5182-O板材成功地将该加工工艺应用于汽车内侧车身板的加工过程之中。后来，Li等人曾详细地研究了预成形退火加工工艺对AA5182-O板材成形性能的影响。通过比较预成形退火加工工艺后材料基于应变的成形极限曲线（FormingLimit Curves, FLCs）的变化，Li等人指出该加工工艺确实能显著提高铝合金的成形性能。另外，由于中间的退火过程中并不会改变材料的硬化性能和应力应变之间的关系，因此，Li等人还指出传统的基于应力的成形极限曲线可以用于直接评价预成形退火加工工艺下材料的成形性能。但是，对于6xxx系列时效硬化铝合金预成形退火加工工艺的研究尚属空白。与5xxx系列铝合金相比，6xxx系列铝合金具有烘烤之后强度更高、耐磨、耐冲击性和表面质量好等优点，其更适合用作汽车的外覆盖件材料。然而，对于6xxx系列时效硬化铝合金而言，中间的退火过程能引起析出相的变化，进而导致材料的机械性能改变。另外，单一的应力应变之间的关系会发生变化，所以传统的基于应力的成形极限曲线已经不能直接用来评价预成形退火加工工艺下材料的成形性能。因此，对于该系列铝合金预成形退火加工工艺的研究会更加困难。为了扩大预成形退火加工工艺的应用范围，有必要研究该加工工艺对6xxx系列铝合金组织与性能影响规律，从而为该加工工艺在汽车外覆盖件加工中的应用奠定基础。本文采用一种典型时效硬化铝合金板材AAx610-T4PD，主要从力学性能、各向异性（塑性应变比，r值）和成形极限曲线三个方面研究了预成形退火加工工艺对材料性能的影响。同时，通过观测不同工艺条件下晶粒度、析出相以及织构的变化，从微观组织角度进一步分析和验证了该加工工艺对材料性能的影响。为了实现上述实验方案，本文主要采用了以下技术手段：（1）单拉实验：通过简单的拉伸试验，可初步研究预成形、退火以及烘烤工艺对材料力学性能的影响，并能够获得较好的工艺参数，从而为下一步的实验奠定基础。（2）Marciniak实验：与常见的Nakazima实验相比，该实验方法能提供更精确的实验结果。其具有以下优点：1）平面内变形，在试样的胀形过程中能提供线性的变形路径；2）测量实验数据的区域与垫圈以及冲头之间未直接接触，因此，测得的结果并不受摩擦因素的影响；3）本文提出了一种测量成形极限曲线的新方法，其基本原理是通过测量试样表面高度差的变化来确定集中颈缩的开始点，从而获得所需要的极限应变。如果在胀形过程中，试样发生弯曲，其表面高度差就很难直接获得。因此，采用Marciniak实验更容易获得所需要的实验结果。（3）数字图像相关测试分析技术（Digital Image Correlation, DIC）：DIC是一种全方位、非接触式且高精度测量应变的实验方法，其最大的测量精度能达到0.005%。DIC的工作原理是通过高速摄像机记录下试样变形的整个过程。在后处理的过程中，将第一张未变形时的图像作为参照图像，通过比较变形过程中的图像与参照图像的差异来计算试样的变形量。其具体的操作流程为：1）喷漆：首先在试样的表面喷一层较薄的白漆，然后在白漆上面均匀地喷洒一些黑色的斑点（大小约为0.5~1.0mm）；2）标定DIC系统：通过调整摄像机的焦距以及光源的强度，确保DIC系统的标定误差低于0.1。另外，为了更精确地计算试样的变形过程，在标定过程中需拍摄尽量多的图像（每个摄像机不少于25张）；3）实验：当喷漆还具有粘性的时候进行变形实验（拉伸实验或胀形实验），并使用高速摄像机记录下试样的整个变形过程；4）后处理：在后处理的过程中，需采用相同的计算参数。另外，在计算整个变形的过程中，要确保分析误差低于0.1；5）提取数据：在后处理的表面形貌中直接提取所需的实验数据。（4）光学显微镜：通过使用光学显微镜来观测不同工艺条件下试样晶粒度的变化，从微观组织的角度解释和分析该加工工艺对材料力学性能的影响。另外，为了更精确地获得观测结果，本文主要采用同心圆截点法来测量试样的晶粒度。（5）透射电镜（TEM）：由于退火工艺会导致材料的析出相发生变化，进而导致材料的机械性能改变，本文采用了透射电镜来观测不同工艺条件下试样析出相的成分，从而验证该工艺对材料力学性能的影响。（6）X射线衍射技术（XRD）：有研究表明材料的r值与织构之间存在着密切的关系。虽然预成形退火加工工艺对材料各向异性的影响完全可以通过单拉实验获得，但是为了从根本上解释r值发生变化的原因，本文采用XRD技术观测了该加工工艺对材料织构的影响。为了方便比较获得的实验结果，本文主要采用了以下实验条件：（1）预变形：对于单拉实验，本文主要采用四种预变形量：5%、10%、15%和20%（工程应变）。另外，对于第二次预变形，由于在实际应用中其变形较低，本文只采用10%的变形量；对于Marciniak胀形实验，本文主要采用平面应变和等双拉应变两种预变形路径以及0.13和0.19（真实等效应变）两种预变形量；（2）退火：实验表明，高温退火能使变形后的板料在很短的时间内获得较好的回复效果，因此，本文主要研究了短时间高温退火对材料性能的影响，其中采用的退火温度为410°C和425°C，退火时间为5-30s；（3）烘烤：烘烤工艺是汽车外覆盖件加工工程中非常重要的一个环节，通过烘烤过程，时效硬化铝合金外壳的力学性能能得到显著地提高。因此，本文也研究了预成形退火加工工艺后烘烤过程对材料力学性能的影响。本文采用的烘烤条件是180°C30min。通过实验测量，本文的主要成果如下：（1）通过拉伸试验和显微组织观察，研究了预成形、退火和烘烤工艺对材料微观组织及力学性能的影响，结果表明：1)预成形退火加工工艺能显著改善材料塑性，其可将材料的延伸率从~25%提高到~35%；2)对于时效硬化铝合金来说，烘烤工艺能显著提高材料的屈服强度和抗拉强度，这是由于在烘烤过程中材料有’’相的析出；3)单纯的预变形并不会改变材料的硬化行为，除了由于积累的位错导致屈服强度的增加。但是如果将预变形与烘烤工艺结合在一起，材料屈服强度的增加会更加明显，这是由积累的位错和’’相的析出共同作用的结果。另外，材料的延伸率也会有轻微的提高，这是由于在烘烤过程中，材料会发生部分回复；4)短暂的高温退火过程可导致材料发生过时效（即析出相成分转化为’相和相），从而明显降低屈服强度和抗拉强度。另外，虽然材料已发生过时效，在烘烤过程中其仍具有析出硬化性能。但是与原始材料相比，退火后材料的析出硬化效果要低很多；5)由于中间的退火过程会导致材料发生过时效，即使板料进行第二次预变形，其屈服强度（~150MPa）仍明显低于适用于汽车外壳材料的下限（~200MPa）。因此，该工艺只适用于加工局部强度要求较低的大变形覆盖件；6)通过实验结果的比对，本文给出了一组推荐的预成形退火加工工艺参数：预变形量15%，退火条件425°C10s。（2）采用DIC研究了不同预成形和退火工艺条件下材料的各向异性，结果表明：1)通过追踪整个拉伸实验过程中r值的变化，结果显示板料的r值在均匀变形区间内并不是恒定不变的，其与拉伸变形量具有相关性。另外，为了将r值与材料的织构一一对应起来，本文参照Vankudre等人的方法只采用了最大载荷时材料的r值进行下一步分析。2)通过观测原始材料的织构，结果显示立方织构{001}<100>对于材料的r值起着非常重要的作用；3)预变形路径的不同会导致材料的r值发生变化。总体来说，预变形之后，材料的r值会有所降低，这是由于预变形之后材料的立方织构成分有所下降。但是，具体的下降量会随着预变形路径的不同而改变；4)由于6xxx系列铝合金板材在生产过程中都会经过固溶时效热处理，因此，原始材料已经处于再结晶状态，而且单纯的退火工艺并不会改变原始材料的织构成分以及r值。5)如果将预变形与退火工艺结合起来，实验发现退火过程能够加剧预变形对r值的影响，这是由于退火过程能够消除含量成分较少的织构，比如C型织构等。（3）采用DIC技术建立了不同预成形退火加工工艺条件下AAx610-T4PD铝合金板材的成形极限曲线（Forming Limit Curves, FLCs），结果表明：1)虽然原始材料在平面内具有应力各向异性，但是通过比较不同制样方向对基于应变的成形极限曲线的影响，结果发现这些成形极限曲线基本上是完全重合的。因此，可以认定在应变方面材料基本上是各向同性的，而且只采用一个制样方向来进行下一步实验是可行的；2)通过比较不同工艺条件下基于应变的成形极限曲线的变化，结果显示预成形退火加工工艺确实能显著提高材料的成形能力；但是由于基于应变的成形极限曲线并不是恒定的，它会受到变形路径的影响，因此，其不能直接用来评价预成形退火加工工艺下材料的成形性能；3)退火过程中材料的硬化性能会发生变化，单一的应力应变关系是不适用的，因此，基于应力的成形极限曲线也不能直接用来评价材料的成形性能；4)实验发现通过移动预成形退火加工工艺后材料的拉伸曲线，其与单纯退火后材料的拉伸曲线是可重叠的。采用Li等人的方法，可以假定该偏移量为残余应变（REPS）并将其用于衡量预变形和退火的综合影响；5)通过引用残余应变的概念，本文计算了预成形退火加工工艺后材料的基于应力的成形极限曲线和PEPS成形极限曲线（Polar-effective-plastic-strain FLCs, PEPS FLCs）。结果显示，当预变形量和退火条件相同时，这两种成形极限曲线是恒定的，其与预变形路径无关。另外，实验发现PEPS成形极限曲线同时也与应力应变之间的关系无关；6)为了进一步阐述预变形量对改进后的基于应力的成形极限曲线和PEPS成形极限曲线的影响，本文又研究了几种不同的预变形量。结果显示，如果材料不发生再结晶，当退火条件相同时，这两种改进后的成形极限曲线一直是恒定不变的，其可以用于评价预成形退火加工工艺后材料的成形性能；7)本文描述了适用于时效硬化铝合金板料预成形退火加工工艺的改进型基于应力的成形极限曲线和PEPS成形极限曲线的构建方法，并建立了AAx610-T4PD铝合金板料成形极限曲线。此外，由于目前还没有采用DIC技术测量板料成形极限曲线的标准，本文还提出了一种基于DIC技术测量板料成形过程中集中颈缩开始点极限应变的新方法。其基本原理是通过测量试样表面高度差的变化（即厚度的变化）来确定集中颈缩的开始点，从而获得所需要的极限应变。该新方法的基本流程如下：1)将试样冲压至破裂状态或能明显看到颈缩已经开始的时刻，同时使用高速摄像机记录下试样的整个胀形历史；2)采用DIC后处理程序，计算试样的表面形貌数据；3)沿着垂直于破裂方向且经过最大主应变点画一条直线。通过追踪已计算好的表面形貌数据可以获得该直线的形貌；4)最大主应变点设为点1，在该直线上远离颈缩区域的地方选取另外一点（即点2），其中这两点的相对高度差定义为表面高度差；5)通过追踪整个变形历史可以得到在胀形过程中表面高度差的变化。本文中定义表面高度差突然发生变化（急速增加）的时刻为集中颈缩开始点，该时刻的应变为所需要的极限应变。但是，对于成形性较好的材料，比如钢材，在变形过程中其表面高度差的变化比较平滑。这时需要对该表面高度差进行一阶求导，其导数突然发生变化的时刻即认为集中颈缩开始点。通过比较采用该方法和目前已存在实验方法的测量结果，结果显示该方法可以更加精确地构建成形极限曲线。本文的主要创新点包括：（1）将一种新颖的加工工艺应用到时效硬化铝合金板材上，并提出了该工艺的适用范围：对于时效硬化铝合金来说，预成形退火加工工艺只适用于加工局部强度要求较低的大变形覆盖件；（2）将材料的r值与织构的变化联系起来，通过测量不同工艺条件下织构的变化来预测材料r值的变化。另外，实验结果显示材料的r值并不是恒定不变的，它受预变形量、预变形路径和退火工艺的影响。因此，在分析材料的成形过程中，需要考虑r值变化引起的影响；（3）将残余应变代替预成形和退火工艺的综合影响，并将其应用到基于应力的成形极限曲线和PEPS成形极限曲线的计算之中，从而提出了改进的适用于预成形退火加工工艺过程中评价材料成形的准则；（4）提出了一种基于DIC技术的测量成形极限曲线的新方法：通过该方法可以更精确地构建成形极限曲线。