第2期 单德彬等:精密微塑性成形技术的现状和发展趋势 FIV 1微塑性成形基础问题研究 /min·A 润滑剂 与传统的塑性成形工艺相比,微塑性成形中微 型零件的几何尺寸可以按比例缩小,而某些材料参 数却保持不变,如材料的微观晶粒度和表面粗糙度 尺寸因子λ= 等,从而导致材料的塑性变形性能发生了改变,使 得传统的成形工艺方法不能通过等比例缩小应用到 微塑性成形领域。因而,研究微观尺度下材料的塑 性变形流动规律,揭示微塑性成形机理,成为微塑 性成形技术的重要研究方向之一。同时,微塑性成 形中塑性变形区的尺寸接近晶粒尺寸,材料微观组 织的不均匀导致微塑性成形工艺的不均匀性更为突 02040.6081.0 出,也成为一项重要的研究内容。 1.1尺寸效应 图1微镦粗实验方案与结果 在微塑性成形领域中,当试样的特征尺寸达到 a)实验方案;b)实验结果 亚毫米或微米尺度时,试样自身的物理特性和内部 Fig 1 Upsetting test scheme and result 结构发生了变化,某些材料性能参数和成形工艺参 数不是简单地按照相似理论增加或减小,这种与试 安表层晶粒 样几何尺寸相关的现象称之为尺寸效应。 文献[29]从不同方面对微成形中的尺寸效应 进行了系统研究,研究表明,材料流动应力、不均 匀性、延展性、成形极限以及摩擦等方面,与宏观 表层晶粒 领域相比发生了不同的变化。例如,当板厚从2mm 减小到0.17mm时,材料的屈服应力减小30%。德 0.5mm 直径4.8m 国 Geiger教授等102-使用镦粗实验,系统地研究了 材料流动应力尺寸效应现象,结果表明,随着试样 图2表层晶粒分布 尺寸的减小,材料的流动应力降低。实验中引入比 Fig 2 Distribution of grains in the surface layer 例因子λ,试样尺寸和变形工艺参数等均按比例因角度对试样变形性能进行研究。结果表明,当晶粒 子缩小。当比例因子λ减小到0.1时,材料的流动尺寸小于板厚时,随着板厚方向晶粒数量的减少 应力降低20%,如图1所示。上海交通大学阮雪榆屈服强度和抗拉强度减小;而当晶粒尺寸大于板料 院士领导的课题组3对紫铜圆柱试样在镦粗变形厚度时,屈服强度随着晶粒尺寸的增加而增加,如 中的流动应力尺寸效应现象进行了研究,分析了流图3所示。 动应力的波动现象。为了对流动应力尺寸效应现象 给予解释, Geiger等11从材料的多晶体结构角度 对实验结果进行分析,如图2所示 随着坯料几何尺寸的减小,流动应力并非一直 减小。 Eckstein和 Engel等13德国学者在研究薄板 single grain multple grains (板厚为0.5mm~0.1mm)微弯曲过程中的尺寸效 应现象时发现,当板厚相对晶粒尺寸较大时(板厚 板厚与晶粒尺寸比 大于3~5个以上晶粒尺寸),弯曲力随着板厚的减 图3屈服应力随晶粒尺寸与板厚比的变化曲线 小而减小;而当板厚与晶粒尺寸相当时,弯曲力随 Fig 3 Yield strengt 着板厚的减小而略有增加。荷兰 Raulea等4使用 size to sheet thickness 单轴拉伸实验和弯曲实验从板厚与晶粒尺寸之比的第 2期 单德彬 等 ：精密微塑性成形技术的现状和发展趋势 47 l 微塑性成形基础 问题研究 与传统的塑性成形工艺相 比，微塑性成形 中微 型零件的几何尺寸可 以按 比例缩小 ，而某些材料参 数却保持不变 ，如材料 的微观晶粒度和表面粗糙度 等 ，从而导致材料的塑性变形性能发生 了改变，使 得传统的成形工艺方法不能通过等 比例缩小应用到 微塑性成形领域。因而，研究微观尺度下材料 的塑 性变形流动规律 ，揭示微塑性成形机理 ，成为微塑 性成形技术的重要研究方 向之一 。同时，微塑性成 形中塑性变形区的尺寸接近晶粒尺寸，材料微观组 织的不均匀导致微塑性成形工艺 的不均匀性更为突 出，也成为一项重要的研究 内容 。 J．1 尺寸效应 在微塑性成形领域中，当试样 的特征尺寸达到 亚毫米或微米尺度时，试样自身的物理特性和内部 结构发生了变化 ，某些材料性能参数和成形工艺参 数不是简单地按照相似理论增加或减小 ，这种与试 样几何尺寸相关的现象称之为尺寸效应。 文献 [2—9]从不同方面对微成形中的尺寸效应 进行了系统研究 ，研究表 明，材料流动应力 、不均 匀性、延展性 、成形极限以及摩擦等方面，与宏观 领域相 比发生 了不同的变化。例如，当板厚从 2ram 减小到 0．17mm时 ，材料的屈服应力减小 30 。德 国 Geiger教授等_】。使用镦粗实验，系统地研究 了 材料流动应力尺寸效应现象 ，结果表明，随着试样 尺寸的减小 ，材料 的流动应力降低。实验 中引入 比 例因子 ，试样尺寸和变形工艺参数等均按 比例 因 子缩小 。当比例因子 减小到 0．1时，材料 的流动 应力降低 20 ，如图 1所示 。上海交通大学阮雪榆 院士领导的课题组~1314J对紫铜圆柱试样在镦粗变形 中的流动应力尺寸效应现象进行 了研究 ，分析了流 动应力的波动现象。为了对流动应 力尺寸效应现象 给予解释 ，Geiger等E1517一从材料的多晶体结构角度 对实验结果进行分析，如 图 2所示 。 随着坯料几何尺寸 的减小 ，流动应力并非一直 减小。Eckstein和 Engel等_1。一德 国学者在研究薄板 (板厚为 0．5mm~0．1ram)微弯 曲过程 中的尺寸效 应现象时发现 ，当板厚相对晶粒尺寸较大时 (板厚 大于 3～5个以上晶粒尺寸)，弯 曲力随着板厚的减 小而减小；而当板厚与晶粒尺寸相当时 ，弯 曲力随 着板厚的减小而略有增加 。荷兰 Raulea等_4 使用 单轴拉伸实验和弯曲实验从板厚与晶粒尺寸之 比的 材料： CuZn15 晶粒尺寸 L=79~m 冲头速度：v=1．Omm／min·^ 润 滑剂： PTFE--foil =0．12X^) 尺 寸因子^=l a 一 山 、一 ． ：；7蘼…l i i 应变 。 b 图 1 微镦粗实验方案与结果[] a)实验方案 ；b)实验结 果 Fig．1 Upsetting testschem eand result 图 2 表层品粒分布 Fig．2 Distributionofgrainsin thesurfacelayer 角度对试样变形性能进行研究。结果表 明，当晶粒 尺寸小于板厚时，随着板厚方 向晶粒数量 的减少 ， 屈服强度和抗拉强度减小 ；而 当晶粒尺寸大于板料 厚度时 ，屈服强度 随着晶粒尺 寸的增加 而增加 ，如 图 3所示 。 一 山 、 叠 噬 图 3 屈服应力随晶粒尺寸与板厚 比的变化曲线 ： Fig．3 Yieldstrength VSratioofgrain sizetosheetthickness 维普资讯 http://www.cqvip.com