超聲振動塑性成形技術(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�，F(xiàn)階段我國航空航天領(lǐng)域取得了巨大進步,鉚接技術(shù)因在飛機結(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_到鉚接干涉配合標準。將超聲振動輔助塑性成形技術(shù)應(yīng)用到鉚接工藝,有望降低鉚接力,促進塑性變形,改善鉚接干涉量,提高鉚接強度,推動我國鉚接技術(shù)的發(fā)展及航空事業(yè)的進步。然而超聲振動塑性變形機理較為復雜,作用機制尚不明確;目前對航空用鈦合金與鋁合金的超聲振動塑性變形機理研究較少;超聲輔助鉚接技術(shù)尚處于初步探索階段,還需要進行進一步的研究。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象。針對以上問題,進行了超聲輔助壓縮試驗,研究了超聲振動輔助塑性變形行為并對塑性變形機理進行了分析。在萬能試驗機上搭載超聲振動系統(tǒng)進行了超聲輔助壓縮試驗,分析了超聲加載過程中的材料變形行為。結(jié)合材料微觀表征測試(OM、SEM、EBSD、TEM)結(jié)果、壓縮過程中的溫度變化和硬度測量結(jié)果研究了超聲塑性變形機理;進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。研究了超聲輔助鉚接過程中的鉚接成形力。通過金相試驗研究了鉚釘鐓頭內(nèi)部組織變化。利用影像測量儀測量變形后釘桿的直徑,進而計算干涉量,分析了超聲振動鉚接質(zhì)量。利用單鉚釘與雙鉚釘剪切試驗研究了不同鉚接方式獲得的鉚接構(gòu)件的鉚接強度。研究表明:超聲振動可以顯著降低鈦合金及鋁合金變形過程中的流動應(yīng)力,且下降幅度受超聲加載時間影響較大。流動應(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);通過對變形后材料的微觀表征數(shù)據(jù)分析認為,超聲能量更容易被晶體缺陷吸收,促進位錯的移動、積累與重排,增加了位錯與空位密度,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,由于超聲振動為位錯移動提供了能量,使得位錯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。雙鉚釘鉚接強度試驗中: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度要高于垂直于剪切方向的雙鉚釘排列方式。這對傳統(tǒng)鉚接工藝具有一定的參考價值。
【學位單位】：山東大學
【學位級別】：碩士
【學位年份】：2020
【中圖分類】：V262;TG306
【部分圖文】：

第一章緒論??模具間相對振動造成的表面效應(yīng)［１９］。??（１）體積效應(yīng)??超聲振動體積效應(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行機械振動。這種在加載過程??中沖頭的振動會造成小幅度周期性卸載和加載現(xiàn)象，導致應(yīng)力出現(xiàn)周期性波動，??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，有助于位錯的移動。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］。??在超聲振動的作用下材料發(fā)生塑性變形，材料內(nèi)部的變形機制發(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)力上會表現(xiàn)為經(jīng)過超聲輔助變??形試樣的流動應(yīng)力高于或者低于常規(guī)變形（未經(jīng)過超聲振動輔助變形）試樣的流??動應(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??中表現(xiàn)得更為明顯，如圖１－３所示，在結(jié)束超聲振動后，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，表明在超聲振動輔助變形階段，材料內(nèi)部變形機??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)，從位錯的角度解釋了??聲殘余效應(yīng)。他們認為聲殘余硬化效應(yīng)是由于超聲促進了位錯的增殖與移動，使??得位錯密度增加，從而材料硬化，而聲殘余軟化效應(yīng)是由于位錯塞積的過程中，??矢量相反的位錯相互

第一章緒論??薄壁機械連接技術(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與自身重量高的問題，鉚接成形過??程中不會對被連接材料造成過度的變形、身具有造價低廉、自重較孝加工成本??低等優(yōu)點。因此在航空領(lǐng)域，飛機設(shè)計制造廣泛使用鉚接來組裝復雜結(jié)構(gòu)件。??通常一架飛機機身大約需要上百萬個鉚釘。現(xiàn)如今我國航空航天事業(yè)蓬勃發(fā)??展，我國第一款自主設(shè)計、研制的具有商業(yè)價值的大型客機Ｃ９１９己經(jīng)首飛成功，??該客機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??在新型飛機制造連接過程中，為實現(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)計對鉚接提出的要求：（１）為實現(xiàn)新型飛機結(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)鉚接難以實現(xiàn)干涉量分布于整??個釘桿，無法滿足結(jié)構(gòu)長壽命的要求；（２）新型飛機結(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，美國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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本文編號：2864204