超聲振動(dòng)塑性成形技術(shù)可以降低成形力,減小表面摩擦,改善表面成形質(zhì)量,提高材料成形極限,促進(jìn)變形,因此被廣泛關(guān)注,已在拉絲、擠壓和拉拔等多種塑性成形工藝中展開應(yīng)用。現(xiàn)階段我國(guó)航空航天領(lǐng)域取得了巨大進(jìn)步,鉚接技術(shù)因在飛機(jī)結(jié)構(gòu)連接領(lǐng)域的重要作用而備受關(guān)注,隨著航空用大直徑鈦合金與鋁合金鉚釘?shù)拇罅繎?yīng)用,傳統(tǒng)鉚接方式已經(jīng)難以克服鉚釘?shù)淖冃慰沽Σ⑦_(dá)到鉚接干涉配合標(biāo)準(zhǔn)。將超聲振動(dòng)輔助塑性成形技術(shù)應(yīng)用到鉚接工藝,有望降低鉚接力,促進(jìn)塑性變形,改善鉚接干涉量,提高鉚接強(qiáng)度,推動(dòng)我國(guó)鉚接技術(shù)的發(fā)展及航空事業(yè)的進(jìn)步。然而超聲振動(dòng)塑性變形機(jī)理較為復(fù)雜,作用機(jī)制尚不明確;目前對(duì)航空用鈦合金與鋁合金的超聲振動(dòng)塑性變形機(jī)理研究較少;超聲輔助鉚接技術(shù)尚處于初步探索階段,還需要進(jìn)行進(jìn)一步的研究。本文選用航空鉚釘常用Ti45Nb鈦合金與2A10鋁合金材料作為研究對(duì)象。針對(duì)以上問題,進(jìn)行了超聲輔助壓縮試驗(yàn),研究了超聲振動(dòng)輔助塑性變形行為并對(duì)塑性變形機(jī)理進(jìn)行了分析。在萬能試驗(yàn)機(jī)上搭載超聲振動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行了超聲輔助壓縮試驗(yàn),分析了超聲加載過程中的材料變形行為。結(jié)合材料微觀表征測(cè)試(OM、SEM、EBSD、TEM)結(jié)果、壓縮過程中的溫度變化和硬度測(cè)量結(jié)果研究了超聲塑性變形機(jī)理;進(jìn)行了鈦合金和鋁合金鉚釘連接2A12-T4鋁合金板材的超聲輔助鉚接試驗(yàn)。研究了超聲輔助鉚接過程中的鉚接成形力。通過金相試驗(yàn)研究了鉚釘鐓頭內(nèi)部組織變化。利用影像測(cè)量?jī)x測(cè)量變形后釘桿的直徑,進(jìn)而計(jì)算干涉量,分析了超聲振動(dòng)鉚接質(zhì)量。利用單鉚釘與雙鉚釘剪切試驗(yàn)研究了不同鉚接方式獲得的鉚接構(gòu)件的鉚接強(qiáng)度。研究表明:超聲振動(dòng)可以顯著降低鈦合金及鋁合金變形過程中的流動(dòng)應(yīng)力,且下降幅度受超聲加載時(shí)間影響較大。流動(dòng)應(yīng)力降低的主要原因是超聲應(yīng)力疊加效應(yīng)和超聲軟化效應(yīng);通過對(duì)變形后材料的微觀表征數(shù)據(jù)分析認(rèn)為,超聲能量更容易被晶體缺陷吸收,促進(jìn)位錯(cuò)的移動(dòng)、積累與重排,增加了位錯(cuò)與空位密度,從而使得小角度晶界數(shù)量的增加以及晶粒取向的改變,提高了變形能力。本文研究發(fā)現(xiàn)壓縮試樣和鉚釘鐓頭部位徑向塑性變形不協(xié)調(diào),出現(xiàn)剪切變形現(xiàn)象,形成剪切帶,剪切帶中晶粒變形劇烈。在鋁合金中,由于超聲振動(dòng)為位錯(cuò)移動(dòng)提供了能量,使得位錯(cuò)克服了第二相粒子的阻礙,增加了小變形區(qū)變形程度,減小了小變形區(qū)和大變形區(qū)變形程度差,在一定程度上緩解了剪切帶劇烈變形現(xiàn)象,使得變形更為均勻。在鈦合金中,變形量較大的區(qū)域,如大變形區(qū)、剪切帶和中心變形區(qū),自身晶體缺陷數(shù)量多,受超聲能量的作用更大,超聲振動(dòng)輔助變形現(xiàn)象與鋁合金相反。在鈦合金鉚釘和鋁合金鉚釘連接2A12-T4鋁合金板材的超聲輔助單鉚釘鉚接試驗(yàn)中:鉚接變形力在超聲作用下顯著降低,鈦合金鉚釘與鋁合金鉚釘鉚接變形力分別下降了 6.41%和5.94%;相比于常規(guī)鉚接,鈦合金鉚釘超聲鉚接后釘孔間干涉量提高了 1.76倍,鋁合金鉚釘提高了 1.96倍,而且超聲鉚接使得干涉量沿釘桿軸線分布更為均勻,具有更好的連接性能;超聲鉚接件的剪切強(qiáng)度比常規(guī)鉚接方式提高了 2.45%,具有更好的鉚接性能。雙鉚釘鉚接強(qiáng)度試驗(yàn)中:超聲鉚接剪切性能略優(yōu)于常規(guī)鉚接,平行于剪切方向的雙鉚釘排列方式剪切強(qiáng)度要高于垂直于剪切方向的雙鉚釘排列方式。這對(duì)傳統(tǒng)鉚接工藝具有一定的參考價(jià)值。
【學(xué)位單位】：山東大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位年份】：2020
【中圖分類】：V262;TG306
【部分圖文】：

第一章緒論??模具間相對(duì)振動(dòng)造成的表面效應(yīng)［１９］。??（１）體積效應(yīng)??超聲振動(dòng)體積效應(yīng)一般包括應(yīng)力疊加效應(yīng)、聲軟化效應(yīng)和聲殘余效應(yīng)。其中??應(yīng)力疊加效應(yīng)產(chǎn)生原因是：超聲波發(fā)生器發(fā)出的超聲信號(hào)是以一定的頻率與振幅??發(fā)出的，因此超聲沖頭也是以一定的頻率與振幅進(jìn)行機(jī)械振動(dòng)。這種在加載過程??中沖頭的振動(dòng)會(huì)造成小幅度周期性卸載和加載現(xiàn)象，導(dǎo)致應(yīng)力出現(xiàn)周期性波動(dòng)，??形成了應(yīng)力疊加效應(yīng)［２Ｑ］。在應(yīng)力疊加效應(yīng)作用下的卸載行為會(huì)使得材料平均應(yīng)力??下降，如圖１－１中（ＩＩ）所示。??１５０?????Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ?ｒｅｓｕｌｔ?（ｏｒｉｇｉｎａｌ?ｓｔｒｅｓｓ）?????Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ?ｒｅｓｕｌｔ?（ａｖｅｒａｇｅ?ｓｔｒｅｓｓ）??—■—?ＦＥ?ａｎａｌｙｓｉｓ?ｒｅｓｕｌｔ?＿＿??咖、＾＊＊＊＊＊＾??＾?１００?－?ｖｉｂｒａｔｉｏ／??ｌ??Ｈ?５０?＇ｌｌ?（ＩＩ）ｖｉｂｒａｔｉｏｎ??ａ?（Ｉ）?Ｆｌｏｗ?ｓｔｒｅｓｓ?ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ?ｒｅｌａｔｅｄ?ｔｏ?ａｃｏｕｓｔｉｃ?ｓｏｆｔｅｎｉｎｇ??Ｈ?（ｄｏｍｉｎａｎｔ?ｅｆｆｅｃｔ）?ａｎｄ?ｆｒｉｃｔｉｏｎ?ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ．??Ｒ?（ＩＩ）?Ｆｌｏｗ?ｓｔｒｅｓｓ?ｆｌｕｃｔｕａｔｉｏｎ?ａｎｄ?ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ?ｒｅｌａｔｅｄ?ｔｏ??〇?＾?ｓｔｒｅｓｓ?ｓｕｐｅｒｐｏｓｉｔｉｏｎ．??＾???０?０．１?０．２?０．３?０．４??Ｔｒｕｅ?ｓｔｒａｉｎ??圖１－１超聲加載應(yīng)力應(yīng)變曲線圖［２１］??在圖１－２應(yīng)力疊加原理簡(jiǎn)圖中顯示，材料加載應(yīng)力應(yīng)變曲線是常規(guī)加載與超??聲加載相

加，有助于位錯(cuò)的移動(dòng)。而熱軟化則是使得試樣的??整體溫度升高，缺失了超聲軟化的定向作用，因此在造成相同的軟化條件下，熱??軟化所需要的能量要比聲軟化高１〇７倍［２９］。??在超聲振動(dòng)的作用下材料發(fā)生塑性變形，材料內(nèi)部的變形機(jī)制發(fā)生了變化，??在超聲加載結(jié)束之后這部分變化被遺留下來，在應(yīng)力上會(huì)表現(xiàn)為經(jīng)過超聲輔助變??形試樣的流動(dòng)應(yīng)力高于或者低于常規(guī)變形（未經(jīng)過超聲振動(dòng)輔助變形）試樣的流??動(dòng)應(yīng)力，這種現(xiàn)象被稱為聲殘余硬化／軟化效應(yīng)。該現(xiàn)象在間歇性超聲加載的試驗(yàn)??中表現(xiàn)得更為明顯，如圖１－３所示，在結(jié)束超聲振動(dòng)后，材料的應(yīng)力應(yīng)變曲線高??于／低于常規(guī)變形應(yīng)力應(yīng)變曲線，表明在超聲振動(dòng)輔助變形階段，材料內(nèi)部變形機(jī)??制發(fā)生了變化。??１０ＣＸ）?－Ｉ?ｎｏ?ｖｉｂｒａｔｉｏｎ??４．〇ｅ?ｐｍ??９００?－?５．６３?ｐｍ?一??？?６．４４?ｐｍ?＇??ｓ〇〇－＝＊０４Ｘ??２?６００－?７２５??｜?５００－?，?Ｊ」〇〇?一＿＾一一一??Ｉ?４００－?Ｉ？７５??２００－?ｉ?１／?ＫＳ：?Ｉ?卜??■?＇?６００?．??，?ｒＪ?Ｉ?■?Ｌ，???１００－?＊?０．２８?０２９?０．３０?０．３１??ｊ?Ｓｔｒａｎ??０．０?０１?０．２?０３?０．４?０５?０．６?０．７?０８??Ｓｔｒａｉｎ??圖１－３聲殘余效應(yīng)［１４］??Ｙａｏ等人［１２］建立了晶體塑性模型用以分析聲殘余效應(yīng)，從位錯(cuò)的角度解釋了??聲殘余效應(yīng)。他們認(rèn)為聲殘余硬化效應(yīng)是由于超聲促進(jìn)了位錯(cuò)的增殖與移動(dòng)，使??得位錯(cuò)密度增加，從而材料硬化，而聲殘余軟化效應(yīng)是由于位錯(cuò)塞積的過程中，??矢量相反的位錯(cuò)相互

第一章緒論??薄壁機(jī)械連接技術(shù)有鉚接、焊接與螺接，相較于焊接帶來的難以消除的組織??缺陷（焊接熱影響區(qū)）以及螺接的昂貴的造價(jià)與自身重量高的問題，鉚接成形過??程中不會(huì)對(duì)被連接材料造成過度的變形、身具有造價(jià)低廉、自重較孝加工成本??低等優(yōu)點(diǎn)。因此在航空領(lǐng)域，飛機(jī)設(shè)計(jì)制造廣泛使用鉚接來組裝復(fù)雜結(jié)構(gòu)件。??通常一架飛機(jī)機(jī)身大約需要上百萬個(gè)鉚釘�，F(xiàn)如今我國(guó)航空航天事業(yè)蓬勃發(fā)??展，我國(guó)第一款自主設(shè)計(jì)、研制的具有商業(yè)價(jià)值的大型客機(jī)Ｃ９１９己經(jīng)首飛成功，??該客機(jī)在上海浦東總裝制造中心完成裝配，同樣大量使用了鉚接工藝［４Ｇ－Ｍ。如圖??１－４所示。??ｍｍ??圖１－４?Ｃ９１９鉚接過程??１．２．１超聲輔助鉚接技術(shù)提出背景??在新型飛機(jī)制造連接過程中，為實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)輕量化，鈦合金、鋁合金等輕質(zhì)合??金被大量使用，尤其是Ｔｉ４５Ｎｂ鈦合金與２Ａ１０鋁合金作為航空鉚釘材料被大量??應(yīng)用［４４４９］。航空航天領(lǐng)域傳統(tǒng)鉚接形式有錘鉚和壓鉚［５（）］。這兩種傳統(tǒng)鉚接方式逐??漸不能滿足新材料的研制設(shè)計(jì)對(duì)鉚接提出的要求：（１）為實(shí)現(xiàn)新型飛機(jī)結(jié)構(gòu)的??結(jié)構(gòu)可靠性，要求鉚接干涉量均勻分布，然而傳統(tǒng)鉚接難以實(shí)現(xiàn)干涉量分布于整??個(gè)釘桿，無法滿足結(jié)構(gòu)長(zhǎng)壽命的要求；（２）新型飛機(jī)結(jié)構(gòu)中越來越多的使用大??直徑鉚釘，而傳統(tǒng)壓鉚鉚接方式難以克服大直徑鉚釘?shù)淖冃慰沽ΓN鉚需要多次??打擊，且易導(dǎo)致鉚釘鐓頭開裂。通過熱鉚工藝可以降低鉚釘變形抗力，但冷卻后??干涉量將變小，且大小難以控制［５１，５２］。??為克服傳統(tǒng)鉚接的缺點(diǎn)，美國(guó)率先著手研宄了電磁鉚接技術(shù)。該技術(shù)是電磁??６??
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