電磁鉚接過程鉚釘動(dòng)態(tài)塑性變形行為及組織性能研究.pdf

1、電磁鉚接是一種高速?zèng)_擊連接技術(shù)。相對(duì)于其他鉚接技術(shù)，具有加載速度快、沖擊力大、鉚釘變形穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，可有效解決復(fù)合材料鉚接時(shí)易被擠壓破壞，以及難變形鈦合金鉚釘氣動(dòng)鉚接加載力不足等技術(shù)瓶頸，該技術(shù)已應(yīng)用于航空航天產(chǎn)品之中，勢(shì)必將成為鉚接工藝的重點(diǎn)發(fā)展方向。本文基于電磁鉚接技術(shù)眾多優(yōu)點(diǎn)和航空航天領(lǐng)域需求，采用Φ10mm-2A10鋁合金鉚釘和Φ6mm-TA1鈦合金鉚釘，重點(diǎn)研究電磁鉚接過程中鉚釘動(dòng)態(tài)塑性變形行為、高應(yīng)變率下鉚釘微觀組織演化以及連

2、接結(jié)構(gòu)力學(xué)性能、成形質(zhì)量。
　　基于ANSYS/LS-DYNA有限元分析軟件，建立電磁鉚接過程電磁場(chǎng)-力場(chǎng)-溫度場(chǎng)耦合數(shù)值模擬模型。以綜合考慮應(yīng)變強(qiáng)化、應(yīng)變速率強(qiáng)化及溫度軟化對(duì)流變應(yīng)力影響的Johnson-Cook模型為鉚釘材料本構(gòu)關(guān)系，實(shí)時(shí)考慮電磁場(chǎng)、力場(chǎng)以及溫度場(chǎng)之間相互影響，對(duì)整個(gè)電磁鉚接過程進(jìn)行了系統(tǒng)分析。結(jié)果表明本文所建立的有限元模型與工藝試驗(yàn)結(jié)果相符，通過分析得到了很難實(shí)測(cè)的磁壓力分布、應(yīng)變速率變化和溫度場(chǎng)分布等規(guī)律。

3、磁壓力時(shí)空分布表明磁壓力以衰減正弦波形式變化，且在驅(qū)動(dòng)片與線圈厚度中心相對(duì)位置處達(dá)到峰值。
　　數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)沿著鉚釘釘桿干涉量呈不均勻分布趨勢(shì)。針對(duì)這一現(xiàn)象，本文結(jié)合彈塑性力學(xué)和應(yīng)力波理論對(duì)鉚釘動(dòng)態(tài)塑性變形行為進(jìn)行分析，建立了相對(duì)干涉量分布模型，通過試驗(yàn)實(shí)測(cè)干涉量驗(yàn)證了模型精度。沿著鉚釘釘桿方向，越靠近鐓頭干涉量越大，并向半圓頭一側(cè)呈冪函數(shù)與指數(shù)函數(shù)乘積形式遞減分布。干涉量大小直接決定了板材孔壁周圍塑性變形區(qū)域大小，沿著板材厚度方

4、向，塑性變形區(qū)域大小分布規(guī)律與干涉量分布相同。
　　對(duì)于2A10鋁合金鉚釘電磁鉚接，絕熱剪切帶是鉚釘成形組織重要特征。絕熱剪切帶兩側(cè)金屬較大的徑向塑性流動(dòng)速度差和絕熱溫升軟化效應(yīng)是絕熱剪切帶形成主要機(jī)制。另外，試驗(yàn)和數(shù)值模擬結(jié)果表明絕熱剪切帶優(yōu)先萌生于鐓頭對(duì)角位置，隨著變形量的增加而逐漸向鐓頭中心擴(kuò)展，并在鐓頭中心相交。最終形成的絕熱剪切帶寬度約為80μm，狹窄的絕熱剪切帶內(nèi)存在大量相互纏結(jié)的位錯(cuò)，位錯(cuò)滑移作用使其內(nèi)部形成了寬度約

5、0.8μm層片狀亞結(jié)構(gòu)。絕熱剪切帶內(nèi)部微觀組織及分布特征對(duì)鉚釘鐓頭性能分布具有較大影響。大量Al2Cu強(qiáng)化相和較高位錯(cuò)密度使得絕熱剪切帶處硬度明顯高于其他位置。絕熱剪切帶分布特征導(dǎo)致鐓頭徑向壓縮強(qiáng)度和高度方向拉伸強(qiáng)度分布不均，而鉚接后鐓頭平均抗壓縮屈服強(qiáng)度較原始鉚釘強(qiáng)度提高了81％，這對(duì)鉚接結(jié)構(gòu)實(shí)際承載能力具有積極的影響。
　　對(duì)于TA1鈦合金鉚釘電磁鉚接，僅有鐓頭軸向變形量較大時(shí)才會(huì)出現(xiàn)絕熱剪切帶現(xiàn)象，絕熱剪切帶寬度約為10μm

6、。鈦合金絕熱剪切帶內(nèi)部微觀組織演化仍以位錯(cuò)滑移機(jī)制為主導(dǎo)，并且亞晶動(dòng)態(tài)旋轉(zhuǎn)機(jī)制導(dǎo)致絕熱剪切帶內(nèi)部形成了尺寸在100~200nm之間的等軸狀再結(jié)晶晶粒。
　　整個(gè)鉚接結(jié)構(gòu)力學(xué)性能是評(píng)價(jià)其可靠性的重要標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)于單個(gè)Φ10mm-2A10鋁合金鉚釘?shù)碾姶陪T接結(jié)構(gòu)，可承受最大剪切載荷和拉脫載荷分別為23.2kN和35kN，并且該鉚接結(jié)構(gòu)鐓頭高度在5~6mm之間時(shí)其力學(xué)性能最佳。而對(duì)于單個(gè)Φ6mm-TA1鈦合金鉚釘鉚接結(jié)構(gòu)，可承受最大剪切載荷

7、和拉脫載荷分別可達(dá)9.9kN和12.3kN。
　　為了探索電磁鉚接技術(shù)工程化應(yīng)用，本文對(duì)比分析了具有同等抗剪切承載能力的Φ10mm-2A10鋁合金鉚釘和Φ6mm-30CrMnSi鋼制螺栓緊固件連接結(jié)構(gòu)。相對(duì)于螺接結(jié)構(gòu)，鉚接結(jié)構(gòu)抗剪切載荷和拉脫載荷分別高出3.1%和40%，而單純從緊固件重量方面對(duì)比其總量輕15.8%。如果從比強(qiáng)度方面對(duì)比分析，鉚接結(jié)構(gòu)抗剪切和拉脫比強(qiáng)度分別高出22.6%和66.1%。因此，采用輕質(zhì)的電磁鉚接結(jié)構(gòu)代替