電磁鉚接過程鉚釘動態(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沖擊連接技術。相對于其他鉚接技術，具有加載速度快、沖擊力大、鉚釘變形穩(wěn)定等優(yōu)點，可有效解決復合材料鉚接時易被擠壓破壞，以及難變形鈦合金鉚釘氣動鉚接加載力不足等技術瓶頸，該技術已應用于航空航天產(chǎn)品之中，勢必將成為鉚接工藝的重點發(fā)展方向。本文基于電磁鉚接技術眾多優(yōu)點和航空航天領域需求，采用Φ10mm-2A10鋁合金鉚釘和Φ6mm-TA1鈦合金鉚釘，重點研究電磁鉚接過程中鉚釘動態(tài)塑性變形行為、高應變率下鉚釘微觀組織演化以及連

2、接結構力學性能、成形質量。
　　基于ANSYS/LS-DYNA有限元分析軟件，建立電磁鉚接過程電磁場-力場-溫度場耦合數(shù)值模擬模型。以綜合考慮應變強化、應變速率強化及溫度軟化對流變應力影響的Johnson-Cook模型為鉚釘材料本構關系，實時考慮電磁場、力場以及溫度場之間相互影響，對整個電磁鉚接過程進行了系統(tǒng)分析。結果表明本文所建立的有限元模型與工藝試驗結果相符，通過分析得到了很難實測的磁壓力分布、應變速率變化和溫度場分布等規(guī)律。

3、磁壓力時空分布表明磁壓力以衰減正弦波形式變化，且在驅動片與線圈厚度中心相對位置處達到峰值。
　　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。針對這一現(xiàn)象，本文結合彈塑性力學和應力波理論對鉚釘動態(tài)塑性變形行為進行分析，建立了相對干涉量分布模型，通過試驗實測干涉量驗證了模型精度。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。絕熱剪切帶兩側金屬較大的徑向塑性流動速度差和絕熱溫升軟化效應是絕熱剪切帶形成主要機制。另外，試驗和數(shù)值模擬結果表明絕熱剪切帶優(yōu)先萌生于鐓頭對角位置，隨著變形量的增加而逐漸向鐓頭中心擴展，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存在大量相互纏結的位錯，位錯滑移作用使其內部形成了寬度約

5、0.8μm層片狀亞結構。絕熱剪切帶內部微觀組織及分布特征對鉚釘鐓頭性能分布具有較大影響。大量Al2Cu強化相和較高位錯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致鐓頭徑向壓縮強度和高度方向拉伸強度分布不均，而鉚接后鐓頭平均抗壓縮屈服強度較原始鉚釘強度提高了81％，這對鉚接結構實際承載能力具有積極的影響。
　　對于TA1鈦合金鉚釘電磁鉚接，僅有鐓頭軸向變形量較大時才會出現(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部微觀組織演化仍以位錯滑移機制為主導，并且亞晶動態(tài)旋轉機制導致絕熱剪切帶內部形成了尺寸在100~200nm之間的等軸狀再結晶晶粒。
　　整個鉚接結構力學性能是評價其可靠性的重要標準，對于單個Φ10mm-2A10鋁合金鉚釘?shù)碾姶陪T接結構，可承受最大剪切載荷和拉脫載荷分別為23.2kN和35kN，并且該鉚接結構鐓頭高度在5~6mm之間時其力學性能最佳。而對于單個Φ6mm-TA1鈦合金鉚釘鉚接結構，可承受最大剪切載荷

7、和拉脫載荷分別可達9.9kN和12.3kN。
　　為了探索電磁鉚接技術工程化應用，本文對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構。相對于螺接結構，鉚接結構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比其總量輕15.8%。如果從比強度方面對比分析，鉚接結構抗剪切和拉脫比強度分別高出22.6%和66.1%。因此，采用輕質的電磁鉚接結構代替