超聲能場(chǎng)與攪拌摩擦焊塑性流變材料的耦合作用機(jī)理中文摘要

超聲可降低材料的變形阻力，是一種能耗低、利用率高的輔助能量。前期研究表明，在攪拌頭前方待焊工件上施加超聲能場(chǎng)，可減少材料塑性流變所需的摩擦熱量；降低焊接載荷并改善焊接質(zhì)量的工藝效果明顯。但超聲改變摩擦攪拌區(qū)塑性變形材料行為的機(jī)制，尚未闡明。本項(xiàng)目擬研究攪拌摩擦焊接過程中超聲能場(chǎng)與塑性流變材料的相互作用機(jī)理。探究超聲波在攪拌頭附近塑性變形材料中的傳輸、耦合及作用規(guī)律；構(gòu)建摩擦攪拌區(qū)超聲體積效應(yīng)與表面效應(yīng)的描述和表征方法；闡明超聲能場(chǎng)改變材料屈服應(yīng)力和流動(dòng)應(yīng)力的物理機(jī)制。提出超聲作用下材料本構(gòu)關(guān)系的修正方法，建立超聲能場(chǎng)-應(yīng)變場(chǎng)-流場(chǎng)-熱場(chǎng)的耦合模型，定量分析和測(cè)試超聲能場(chǎng)作用下攪拌頭附近材料塑性流動(dòng)行為、產(chǎn)熱特點(diǎn)、溫度分布特征等；實(shí)現(xiàn)超聲參量、焊接工藝參數(shù)與接頭組織性能之間的優(yōu)化與匹配。為有效地指導(dǎo)超聲能量在攪拌摩擦焊接過程中的合理應(yīng)用、提升我國(guó)高強(qiáng)鋁合金結(jié)構(gòu)的焊接制造水平奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

常規(guī)的攪拌摩擦焊接（FSW），需要很大的軸向壓力和攪拌頭轉(zhuǎn)矩來產(chǎn)生足夠的摩擦熱，導(dǎo)致設(shè)備體積龐大、攪拌頭磨損、焊接速度較低。超聲振動(dòng)作為一種機(jī)械能，在加工過程中可降低材料的變形抗力。在FSW過程中施加超聲振動(dòng)，使得攪拌頭周圍的材料更容易發(fā)生塑性流動(dòng)，從而可以改善焊接質(zhì)量、降低焊接載荷并提高焊接速度。然而，超聲振動(dòng)對(duì)FSW焊接熱過程和塑性材料流動(dòng)的影響機(jī)理仍未闡明。本項(xiàng)目直接將超聲振動(dòng)施加在攪拌頭前方的待焊工件上，研制了“超聲振動(dòng)強(qiáng)化攪拌摩擦焊接 (UVeFSW)” 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)；從數(shù)值分析和實(shí)驗(yàn)表征兩方面研究了UVeFSW過程中超聲能場(chǎng)與塑性流變材料的相互作用機(jī)理。 提出了三種定量表征剪切層內(nèi)材料流動(dòng)的實(shí)驗(yàn)方法，分別表征了攪拌頭周圍的塑性變形材料體積、連續(xù)流動(dòng)的材料流速和非連續(xù)流動(dòng)的材料應(yīng)變和應(yīng)變速率?；谖诲e(cuò)熱激活理論，分析了超聲振動(dòng)對(duì)塑性變形材料位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的影響，修正了材料本構(gòu)關(guān)系。建立了“超聲能場(chǎng)-熱場(chǎng)-應(yīng)變場(chǎng)-流場(chǎng)”耦合的UVeFSW數(shù)理模型，定量分析了UVeFSW過程中超聲聲壓、聲場(chǎng)能量密度、產(chǎn)熱、傳熱、應(yīng)變/應(yīng)變速率、粘度和材料流動(dòng)的動(dòng)態(tài)變化規(guī)律。結(jié)果表明，攪拌頭前方的超聲振動(dòng)能場(chǎng)與塑性變形材料相互作用，降低了材料的塑性變形激活能，產(chǎn)生聲致軟化效應(yīng)，提高了攪拌頭附近材料的塑性流動(dòng)性，使得塑性變形材料體積擴(kuò)大、焊核區(qū)晶粒發(fā)生細(xì)化并改變了晶粒取向、再結(jié)晶過程進(jìn)行得更加徹底。闡明了超聲振動(dòng)改善焊接接頭組織與性能的物理機(jī)制，為提升高強(qiáng)鋁合金結(jié)構(gòu)的焊接制造水平奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。 本項(xiàng)目已發(fā)表期刊論文31篇（其中，SCI收錄28篇，EI收錄3篇）。在國(guó)際會(huì)議做特邀大會(huì)報(bào)告（Plenary/Keynote）3次、邀請(qǐng)報(bào)告（Invited）3次。授權(quán)發(fā)明專利1項(xiàng)。獲得兩項(xiàng)國(guó)際學(xué)術(shù)獎(jiǎng)勵(lì)。培養(yǎng)出站博士后1人、博士生6人、碩士生4人；有2篇學(xué)位論文被評(píng)選為2018和2016年度山東省優(yōu)秀博士和碩士論文。組織舉辦國(guó)際會(huì)議1次。 2100433B

1)建立一種耦合高壓與高應(yīng)變率效應(yīng)的塑性變形基本特性方程：選擇剪切模量為流動(dòng)應(yīng)力尺度，由剪切模量的密度與溫度相關(guān)性及高壓狀態(tài)方程，確定流動(dòng)應(yīng)力尺度的壓力與溫度相關(guān)性。在此尺度下度量流動(dòng)應(yīng)力，由應(yīng)變率控制機(jī)理，確定無量綱流動(dòng)應(yīng)力與無量綱應(yīng)變率及溫度的相關(guān)性。從而表達(dá)高壓與高應(yīng)變率對(duì)于塑性變形耦合效應(yīng)的可分離函數(shù)特性。2）揭示非過載平面沖擊波定常塑性波流動(dòng)應(yīng)力隨高壓與高應(yīng)變率變化的實(shí)測(cè)結(jié)果：發(fā)展錳銅應(yīng)。 2100433B

超塑性混凝土又稱流態(tài)混凝土。即在已拌制好的坍落度為80~150mm的混凝土拌合物中加入流化劑，再經(jīng)攪拌，使其坍落度立即增大至180~200mm，成為具有高度流動(dòng)性和良好粘聚性的混凝土拌合物 。