脉冲电流在轻合金超塑变形中的宏微观作用机制

摘要

自阻加热成形技术以高效节能的特点逐渐受到各国学者的关注，并已应用到材料加工领域的许多工艺过程中。超塑成形技术由于其成形温度高、成形速率低，在民品产业中的应用一直受到限制，本文试图将自阻加热技术引入到超塑胀形过程中来提高成形效率、降低能耗。同时，通过分析电流对金属变形机制的影响作用，利用电致塑性效应、电致超塑性效应、止裂效应、组织改善效应等来提高材料的成形性能、降低工艺要求、改善成形零件质量。
　　由于不同材料的电热性能和成形性能存在很大差别，本文选择三种典型轻合金材料（TA15钛合金、5083铝合金、AZ31镁合金）和一种复合材料（SiCp/Al）对其自阻加热性能进行测试，确定成形工艺参数，并研制了电加热超塑成形装置，选择耐火浇注料制作模具来满足工艺的绝缘性要求。合理设计工艺流程，成形了不同轻合金试件。结果表明，电流的引入不仅缩短了成形时间，大幅度降低了能耗，而且由于升温和降温速度快，高温成形试件表面氧化也得到了一定程度的抑制。
　　由于材料的变形过程是在有电流通过的情况下完成的，其变形特点也会受到电流的影响，通过对比三种轻合金常规胀形和自阻加热胀形发现：电流可以提高材料的塑性，降低流动应力，在自阻加热成形过程中，由于变形引起板材厚度变化，会导致减薄区局部温度偏高，成形试件壁厚分布均匀性变差。为揭示电流作用下材料变形机制，对三种轻合金的显微组织进行观察分析，结果表明，电流改善材料的塑性原因是通过降低位错激活能和产生附加电子风力来加速位错的滑移和攀移，减小位错缠结，提高位错的可动性。TA15钛合金在超塑变形过程中发生相变，电流会使最终成形试件组织的晶粒取向表现出方向性；5083铝合金自阻加热变形后再结晶组织明显细化，危害较大的V型空洞发生钝化转变为危害较小的O型空洞；AZ31镁合金自阻加热时，电流通过促进晶界形核来诱发孪生变形，进而促进镁合金的孪晶超塑性。
　　对比SiCp/Al复合材料常规热成形和自阻加热成形试验结果发现，自由胀形试件的高径比由0.20提升到0.38，电流作用下，材料的塑性得到了较大的提高。对复合材料变形机制进行分析发现：电流会通过提高材料的扩散系数并产生电子风力来加速扩散蠕变和滑移速率。在垂直于电流方向的SiC颗粒尖角处会产生绕流现象，同时铝基体与SiC颗粒界面处自由电子聚集，导致SiC颗粒周围的铝基体温度较高，从试件断口上存在的絮状基体及流线可以推断，自阻加热成形过程中在界面处形成了一层液相薄层，使得铝基体与SiC颗粒之间的滑移运动变成了非牛顿流体的流动，因此有效的阻止了界面开裂，提高材料的变形能力并使得材料变形抗力降低。
　　在AZ31镁合金自阻加热和变形过程中都发现了极性效应现象的存在，电流方向会对材料的加热温度分布、流动应力大小以及成形试件的宏观变形产生影响。分析结果表明，温度极性与帕尔贴效应有关，而变形过程中的极性是由电子风力引起的。本文通过对电子风力进行量化计算并将其导入到超塑成形有限元模拟过程中，验证了电子漂移运动在极性效应中的作用。

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第1章 绪论

1.1 课题背景及研究意义

1.2 钛、镁、铝合金的超塑变形机理

1.3 电流/电场在材料加工中的应用

1.4 电流/电场对金属塑性变形特点及机制的影响作用

1.5 电流/电场辅助超塑变形

1.6 本文的主要研究内容

第2章 材料及实验方法

2.1 实验材料

2.2 试验方法

第3章 轻合金板材自阻加热超塑成形工艺

3.1 引言

3.2 轻合金自阻加热性能

3.3 自阻加热超塑成形装置

3.4 板料自阻加热超塑气胀成形工艺流程

3.5 本章小结

第4章 电流作用下轻合金板材的变形与微观组织演变特点

4.1 引言

4.2 电流对TA15钛合金变形特点的影响

4.3 电流对5083铝合金变形特点的影响

4.4 电流对AZ31镁合金变形特点的影响

4.5 本章小结

第5章 电流作用下SiCp/Al复合材料的变形与微观组织演变特点

5.1 引言

5.2 SiCP/Al复合材料拉伸性能试验

5.3 SiCP/Al复合材料自阻加热自由胀形

5.4 电流对SiCp/Al复合材料变形微观机制的影响

5.5 电流对不同轻合金及铝基复合材料变形机理影响作用比较

5.6 本章小结

第6章 板材自阻加热成形过程中的极性效应分析

6.1 引言

6.2 AZ31镁合金板材自阻加热过程极性效应分析

6.3 AZ31镁合金板材自阻加热拉伸过程极性效应分析

6.4 AZ31镁合金板材自阻加热自由胀形过程极性效应分析

6.5 本章小结

结论

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文

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