電磁成形中感應電流及應變率對鋁合金材料力學性能的影響研究.pdf

1、電磁成形制造技術是突破目前輕質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的渦流相互作用、產生瞬間電磁沖擊力而導致的一種高速變形，材料的變形行為既不同于準靜態(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電磁場、結構場、溫度場多場耦合的物理過程，涉及到感應電流加載、高應變率變形、電塑性效應、熱塑性效應等諸多問題，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電流、應變率

2、等因素對材料變形行為和微觀機理的影響，本研究從外加電流的電塑性效應實驗與電磁脹環(huán)實驗入手，研究感應電流、高應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理，為突破鋁合金等輕質合金材料成形制造技術瓶頸提供相關理論依據(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、結構場、溫度場等多物理場進行了分析。詳細地闡述了驅動電路、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)的受力及其運動方程進行了推導，并對金屬環(huán)的焦耳熱效應、變形熱引起溫度變化等熱力學問題進行了研究。結合電磁脹環(huán)過程中電磁場、結構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電流對鋁合金力學性能的影響，本文引入了電塑性實驗系統(tǒng)，去除高應變率等因素的作用，在準靜態(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性能。電塑性實驗系統(tǒng)以萬能電子試驗機為基礎，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行單向拉伸測試，并能夠實時測量材料在拉伸過程中應力、應變及溫度變化。利用電塑性實驗系統(tǒng)，通過控制電流參數(shù)、拉伸速度等實驗條件及參數(shù)，研究和分析不同因素對材料宏觀力學性能的影響。實驗結果顯示，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的拉伸實驗中，斷裂應變?yōu)?4.44％，比標準拉伸實驗的斷裂應變提高了100.35％。對比不同參數(shù)及試驗條件下試樣的延伸率及溫度的變化得出，鋁合金在實驗中延伸率的提高是電流與溫度共同作用的結果。在流動應力的變化中，電流主要影響通電過程中流動應力的可恢復下降，而溫度由于其軟化作用則影響流動應力不可恢復下降。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，促進了通電拉伸下的塑性提升。
　　論文研制了電磁脹環(huán)實驗系統(tǒng)，用以研究高應變率、感應電流及溫度等因素共同作用下的材料高速變形行為。實驗系統(tǒng)由電源系統(tǒng)、成形線圈、測量系統(tǒng)等三個部分組成。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)提出各自的設計要求，著重對脈沖電容器、放電開關、續(xù)流二極管等主要元件進行具體設計。將脈沖磁

7、體的繞制方法引入電磁脹環(huán)成形線圈設計中，使成形線圈具有較高的機械及熱力學強度。在測量系統(tǒng)中，利用空心線圈對放電電流進行測量；并設計了間接方法對金屬環(huán)中的感應電流進行測量；針對電磁成形中的高速位移測量難題，根據(jù)電磁脹環(huán)實驗的電磁變化特性，提出了基于感應電勢的新型位移測量方法，設計與研制了基于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行采集與測量。
　　利用電磁脹環(huán)實驗系統(tǒng)，在不同電路參數(shù)下對鋁合金A5083進行多電壓

8、等級的電磁脹環(huán)實驗。實驗結果顯示，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)的最大應變相比于標準拉伸實驗中的斷裂失效應變都有很大提升。當放電電壓為10500V時，成形線圈2的脹環(huán)實驗中鋁合金環(huán)的應變可達26.37％，比標準拉伸試驗的斷裂應變有61.62％的提升。將不同參數(shù)下的電磁脹環(huán)實驗結果進行對比研究發(fā)現(xiàn)，相比于感應電流，應變率的幅值與鋁合金環(huán)的最大應變值聯(lián)系更加緊密，并呈現(xiàn)出正相關特性。而電磁脹環(huán)數(shù)值仿真研

9、究發(fā)現(xiàn)，對比C-S本構模型，準靜態(tài)拉伸下的應力應變關系更加接近電磁脹環(huán)中的實際情況。鋁合金A5083材料在電磁脹環(huán)過程中的流動應力受到應變率、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)變形機理不同于準靜態(tài)下的單軸拉伸變形機理。由于電磁脹環(huán)的應變率遠高于準靜態(tài)拉伸，其塑性變形來不及通過晶界間的滑動和轉動完成，而主要是借助晶內變形來完成，使得電磁膨脹環(huán)內部晶粒肢構化，產生大量小角度晶