電磁成形中感應(yīng)電流及應(yīng)變率對鋁合金材料力學(xué)性能的影響研究.pdf

1、電磁成形制造技術(shù)是突破目前輕質(zhì)合金材料成形制造瓶頸的一種重要途徑。電磁成形是變化的磁場與金屬材料中感應(yīng)的渦流相互作用、產(chǎn)生瞬間電磁沖擊力而導(dǎo)致的一種高速變形，材料的變形行為既不同于準(zhǔn)靜態(tài)下的低速變形，也不同于常規(guī)的由單一力場作用的高速變形。電磁成形過程是一個(gè)電磁場、結(jié)構(gòu)場、溫度場多場耦合的物理過程，涉及到感應(yīng)電流加載、高應(yīng)變率變形、電塑性效應(yīng)、熱塑性效應(yīng)等諸多問題，影響其高速變形行為的因素較多。為了深入理解電磁成形過程中感應(yīng)電流、應(yīng)變率

2、等因素對材料變形行為和微觀機(jī)理的影響，本研究從外加電流的電塑性效應(yīng)實(shí)驗(yàn)與電磁脹環(huán)實(shí)驗(yàn)入手，研究感應(yīng)電流、高應(yīng)變率及溫度等因素共同作用下材料的高速變形行為，探明電-磁-力-熱多場耦合作用下鋁合金的變形機(jī)理，為突破鋁合金等輕質(zhì)合金材料成形制造技術(shù)瓶頸提供相關(guān)理論依據(jù)。
　　論文選取電磁脹環(huán)作為基本研究模型，對電磁成形過程中的電磁場、結(jié)構(gòu)場、溫度場等多物理場進(jìn)行了分析。詳細(xì)地闡述了驅(qū)動電路、成形線圈及金屬環(huán)的電磁過程，利用簡化模型對金屬

3、環(huán)的受力及其運(yùn)動方程進(jìn)行了推導(dǎo)，并對金屬環(huán)的焦耳熱效應(yīng)、變形熱引起溫度變化等熱力學(xué)問題進(jìn)行了研究。結(jié)合電磁脹環(huán)過程中電磁場、結(jié)構(gòu)場及溫度場間的相互聯(lián)系與影響，利用COMSOL多場耦合分析軟件，采用直接耦合方法對電磁脹環(huán)系統(tǒng)進(jìn)行了2D平面仿真建模，用以耦合分析多物理場作用下的電磁脹環(huán)過程。
　　為了分離出電磁成形過程中感應(yīng)電流對鋁合金力學(xué)性能的影響，本文引入了電塑性實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，去除高應(yīng)變率等因素的作用，在準(zhǔn)靜態(tài)拉伸情況下研究電流作用下

4、的鋁合金變形行為及力學(xué)性能。電塑性實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)以萬能電子試驗(yàn)機(jī)為基礎(chǔ)，以移相ZVZCS全橋變換脈沖方波電源作為電源系統(tǒng)，可以在不同電流作用下對材料進(jìn)行單向拉伸測試，并能夠?qū)崟r(shí)測量材料在拉伸過程中應(yīng)力、應(yīng)變及溫度變化。利用電塑性實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，通過控制電流參數(shù)、拉伸速度等實(shí)驗(yàn)條件及參數(shù)，研究和分析不同因素對材料宏觀力學(xué)性能的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，鋁合金試樣的單向拉伸過程中，電流的作用可以有效地提高材料延展性能。在幅值為60 A/mm2、脈寬為1.5

5、s、周期為20 s的電流作用下，鋁合金A5083試樣在1.25mm/min的拉伸實(shí)驗(yàn)中，斷裂應(yīng)變?yōu)?4.44％，比標(biāo)準(zhǔn)拉伸實(shí)驗(yàn)的斷裂應(yīng)變提高了100.35％。對比不同參數(shù)及試驗(yàn)條件下試樣的延伸率及溫度的變化得出，鋁合金在實(shí)驗(yàn)中延伸率的提高是電流與溫度共同作用的結(jié)果。在流動應(yīng)力的變化中，電流主要影響通電過程中流動應(yīng)力的可恢復(fù)下降，而溫度由于其軟化作用則影響流動應(yīng)力不可恢復(fù)下降。此外微觀研究表明，通電流拉伸作用下，10μm~20μm的晶粒數(shù)

6、目明顯增加，同時(shí)其小角度晶界數(shù)量尤其是取向差5°以下的小度晶界大幅度增加，促進(jìn)了通電拉伸下的塑性提升。
　　論文研制了電磁脹環(huán)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，用以研究高應(yīng)變率、感應(yīng)電流及溫度等因素共同作用下的材料高速變形行為。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)由電源系統(tǒng)、成形線圈、測量系統(tǒng)等三個(gè)部分組成。選用電容器型電源作為電磁脹環(huán)裝置的電源系統(tǒng)，根據(jù)電容器型電源模塊各組成部分的功能、參數(shù)提出各自的設(shè)計(jì)要求，著重對脈沖電容器、放電開關(guān)、續(xù)流二極管等主要元件進(jìn)行具體設(shè)計(jì)。將脈沖磁

7、體的繞制方法引入電磁脹環(huán)成形線圈設(shè)計(jì)中，使成形線圈具有較高的機(jī)械及熱力學(xué)強(qiáng)度。在測量系統(tǒng)中，利用空心線圈對放電電流進(jìn)行測量；并設(shè)計(jì)了間接方法對金屬環(huán)中的感應(yīng)電流進(jìn)行測量；針對電磁成形中的高速位移測量難題，根據(jù)電磁脹環(huán)實(shí)驗(yàn)的電磁變化特性，提出了基于感應(yīng)電勢的新型位移測量方法，設(shè)計(jì)與研制了基于PCB板的電磁位移測量系統(tǒng)，可以對金屬環(huán)的位移及速度信息進(jìn)行采集與測量。
　　利用電磁脹環(huán)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，在不同電路參數(shù)下對鋁合金A5083進(jìn)行多電壓

8、等級的電磁脹環(huán)實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，鋁合金環(huán)的膨脹直徑隨著電壓的增大而增大；無論何種電路參數(shù)下，鋁合金環(huán)的最大應(yīng)變相比于標(biāo)準(zhǔn)拉伸實(shí)驗(yàn)中的斷裂失效應(yīng)變都有很大提升。當(dāng)放電電壓為10500V時(shí)，成形線圈2的脹環(huán)實(shí)驗(yàn)中鋁合金環(huán)的應(yīng)變可達(dá)26.37％，比標(biāo)準(zhǔn)拉伸試驗(yàn)的斷裂應(yīng)變有61.62％的提升。將不同參數(shù)下的電磁脹環(huán)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比研究發(fā)現(xiàn)，相比于感應(yīng)電流，應(yīng)變率的幅值與鋁合金環(huán)的最大應(yīng)變值聯(lián)系更加緊密，并呈現(xiàn)出正相關(guān)特性。而電磁脹環(huán)數(shù)值仿真研

9、究發(fā)現(xiàn)，對比C-S本構(gòu)模型，準(zhǔn)靜態(tài)拉伸下的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系更加接近電磁脹環(huán)中的實(shí)際情況。鋁合金A5083材料在電磁脹環(huán)過程中的流動應(yīng)力受到應(yīng)變率、電流及溫度的共同作用，呈現(xiàn)一定幅度的增大。在微觀研究方面，EBSD掃描電鏡觀測顯示，鋁合金的電磁脹環(huán)變形機(jī)理不同于準(zhǔn)靜態(tài)下的單軸拉伸變形機(jī)理。由于電磁脹環(huán)的應(yīng)變率遠(yuǎn)高于準(zhǔn)靜態(tài)拉伸，其塑性變形來不及通過晶界間的滑動和轉(zhuǎn)動完成，而主要是借助晶內(nèi)變形來完成，使得電磁膨脹環(huán)內(nèi)部晶粒肢構(gòu)化，產(chǎn)生大量小角度晶