电磁成形中感应电流及应变率对铝合金材料力学性能的影响研究

摘要

电磁成形制造技术是突破目前轻质合金材料成形制造瓶颈的一种重要途径。电磁成形是变化的磁场与金属材料中感应的涡流相互作用、产生瞬间电磁冲击力而导致的一种高速变形，材料的变形行为既不同于准静态下的低速变形，也不同于常规的由单一力场作用的高速变形。电磁成形过程是一个电磁场、结构场、温度场多场耦合的物理过程，涉及到感应电流加载、高应变率变形、电塑性效应、热塑性效应等诸多问题，影响其高速变形行为的因素较多。为了深入理解电磁成形过程中感应电流、应变率等因素对材料变形行为和微观机理的影响，本研究从外加电流的电塑性效应实验与电磁胀环实验入手，研究感应电流、高应变率及温度等因素共同作用下材料的高速变形行为，探明电-磁-力-热多场耦合作用下铝合金的变形机理，为突破铝合金等轻质合金材料成形制造技术瓶颈提供相关理论依据。
　　论文选取电磁胀环作为基本研究模型，对电磁成形过程中的电磁场、结构场、温度场等多物理场进行了分析。详细地阐述了驱动电路、成形线圈及金属环的电磁过程，利用简化模型对金属环的受力及其运动方程进行了推导，并对金属环的焦耳热效应、变形热引起温度变化等热力学问题进行了研究。结合电磁胀环过程中电磁场、结构场及温度场间的相互联系与影响，利用COMSOL多场耦合分析软件，采用直接耦合方法对电磁胀环系统进行了2D平面仿真建模，用以耦合分析多物理场作用下的电磁胀环过程。
　　为了分离出电磁成形过程中感应电流对铝合金力学性能的影响，本文引入了电塑性实验系统，去除高应变率等因素的作用，在准静态拉伸情况下研究电流作用下的铝合金变形行为及力学性能。电塑性实验系统以万能电子试验机为基础，以移相ZVZCS全桥变换脉冲方波电源作为电源系统，可以在不同电流作用下对材料进行单向拉伸测试，并能够实时测量材料在拉伸过程中应力、应变及温度变化。利用电塑性实验系统，通过控制电流参数、拉伸速度等实验条件及参数，研究和分析不同因素对材料宏观力学性能的影响。实验结果显示，铝合金试样的单向拉伸过程中，电流的作用可以有效地提高材料延展性能。在幅值为60 A/mm2、脉宽为1.5 s、周期为20 s的电流作用下，铝合金A5083试样在1.25mm/min的拉伸实验中，断裂应变为34.44％，比标准拉伸实验的断裂应变提高了100.35％。对比不同参数及试验条件下试样的延伸率及温度的变化得出，铝合金在实验中延伸率的提高是电流与温度共同作用的结果。在流动应力的变化中，电流主要影响通电过程中流动应力的可恢复下降，而温度由于其软化作用则影响流动应力不可恢复下降。此外微观研究表明，通电流拉伸作用下，10μm~20μm的晶粒数目明显增加，同时其小角度晶界数量尤其是取向差5°以下的小度晶界大幅度增加，促进了通电拉伸下的塑性提升。
　　论文研制了电磁胀环实验系统，用以研究高应变率、感应电流及温度等因素共同作用下的材料高速变形行为。实验系统由电源系统、成形线圈、测量系统等三个部分组成。选用电容器型电源作为电磁胀环装置的电源系统，根据电容器型电源模块各组成部分的功能、参数提出各自的设计要求，着重对脉冲电容器、放电开关、续流二极管等主要元件进行具体设计。将脉冲磁体的绕制方法引入电磁胀环成形线圈设计中，使成形线圈具有较高的机械及热力学强度。在测量系统中，利用空心线圈对放电电流进行测量；并设计了间接方法对金属环中的感应电流进行测量；针对电磁成形中的高速位移测量难题，根据电磁胀环实验的电磁变化特性，提出了基于感应电势的新型位移测量方法，设计与研制了基于PCB板的电磁位移测量系统，可以对金属环的位移及速度信息进行采集与测量。
　　利用电磁胀环实验系统，在不同电路参数下对铝合金A5083进行多电压等级的电磁胀环实验。实验结果显示，铝合金环的膨胀直径随着电压的增大而增大；无论何种电路参数下，铝合金环的最大应变相比于标准拉伸实验中的断裂失效应变都有很大提升。当放电电压为10500V时，成形线圈2的胀环实验中铝合金环的应变可达26.37％，比标准拉伸试验的断裂应变有61.62％的提升。将不同参数下的电磁胀环实验结果进行对比研究发现，相比于感应电流，应变率的幅值与铝合金环的最大应变值联系更加紧密，并呈现出正相关特性。而电磁胀环数值仿真研究发现，对比C-S本构模型，准静态拉伸下的应力应变关系更加接近电磁胀环中的实际情况。铝合金A5083材料在电磁胀环过程中的流动应力受到应变率、电流及温度的共同作用，呈现一定幅度的增大。在微观研究方面，EBSD扫描电镜观测显示，铝合金的电磁胀环变形机理不同于准静态下的单轴拉伸变形机理。由于电磁胀环的应变率远高于准静态拉伸，其塑性变形来不及通过晶界间的滑动和转动完成，而主要是借助晶内变形来完成，使得电磁膨胀环内部晶粒肢构化，产生大量小角度晶界，应变极限提升。

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1 绪论

1.1 研究背景

1.2 电磁成形技术的发展与趋势

1.3 电塑性效应的研究现状

1.4 高速变形行为及机理的研究现状

1.5 本文主要研究内容及章节安排

2 电磁成形过程的多物理场分析

2.1 引言

2.2 电磁胀环基本原理

2.3 电磁胀环放电电路分析

2.4 电磁胀环系统电磁分析

2.5 电磁胀环过程中金属环力学及运动分析

2.6 电磁胀环过程中温度场分析

2.7 电磁胀环的仿真模型的建立

2.8 本章小结

3 电流对材料力学性能的影响研究

3.1 引言

3.2 电塑性实验系统设计

3.3电流作用下的单向拉伸实验

3.4 电流及温度对电塑性拉伸的影响

3.5 铝合金微观结构变化

3.6 本章小结

4 电磁胀环实验系统研制

4.1 引言

4.2 电容器型电源系统

4.3 成形线圈设计

4.4 电磁胀环测量系统

4.5 本章小结

5 涡流及高应变率对材料力学性能的影响

5.1 引言

5.2 实验材料及单向拉伸实验

5.3 空放实验

5.4 铝合金环电磁膨胀实验

5.5 电磁胀环实验分析

5.6 电磁胀环数值分析

5.7 电磁胀环微观分析

5.8 本章小结

6 全文总结与展望

6.1 全文总结

6.2 创新点

6.3 工作展望

致谢

参考文献

附录 攻读博士学位期间发表的论文目录