純銅微鐓粗過程尺寸效應(yīng)

1、純銅微鐓粗過程尺寸效應(yīng) 蘇靖欽 在微塑性成形試驗(yàn)機(jī)上對(duì)純銅圓柱試樣進(jìn)行恒定速度的微鐓粗試驗(yàn)，通過熱處理和精細(xì)線切割技術(shù)，設(shè)計(jì)不同的試樣尺寸和晶粒尺寸，分別研究晶粒尺寸和試樣尺寸對(duì)微塑性成形的影響。研究發(fā)現(xiàn)：試樣流動(dòng)應(yīng)力隨著試樣尺寸的減小而減小，其減小趨勢(shì)與表面晶粒體積分?jǐn)?shù)存在線性關(guān)系；當(dāng)試樣尺寸較大時(shí)，晶粒尺寸對(duì)試樣流動(dòng)應(yīng)力的影響并不明顯，而隨著試樣尺寸的減小，大尺寸晶粒試樣的流動(dòng)應(yīng)力要明顯低于小晶粒尺寸的試樣；當(dāng)試樣尺寸較小時(shí)，試樣在微鐓粗過程中表現(xiàn)出明顯的不均勻性。通過表面層理論和細(xì)晶強(qiáng)化對(duì)有試樣尺寸和晶粒尺寸變化引起的尺寸效應(yīng)現(xiàn)象進(jìn)行解釋，同時(shí)，引入尺度參數(shù)量化由試樣尺寸引起的尺寸效應(yīng)現(xiàn)

2、象，從而對(duì)當(dāng)應(yīng)變一定時(shí)流動(dòng)應(yīng)力隨著表面層晶粒體積分?jǐn)?shù) 呈現(xiàn)近似線性變化的原因進(jìn)行解釋。 在微塑性成形過程中，材料本身的性能對(duì)零件和工藝設(shè)計(jì)都有非常重要的意義。因此，與材料性能有關(guān)的尺寸效應(yīng)的研究成為微塑性成形研究的熱點(diǎn)。在對(duì) CuZn15 微鐓粗試驗(yàn)的研究中發(fā)現(xiàn)：相同晶粒尺寸下，當(dāng)試樣尺寸減小時(shí)，材料的流動(dòng)應(yīng)力也隨之減小。當(dāng)擠出部分直徑小于 l mm 時(shí)，60%的試樣擠出部分出現(xiàn)了彎曲，這說明微成形過程中單個(gè)晶粒對(duì)整個(gè)變形的影響變大了。然而，對(duì)尺寸效應(yīng)現(xiàn)象及其產(chǎn)生機(jī)理的認(rèn)識(shí)仍然不足。在微塑性成形工藝中，微鐓粗試驗(yàn)是研究微塑性成形過程中材料尺寸效應(yīng)的主要手段。本文設(shè)計(jì)了不同的試樣尺寸和晶粒尺寸，

3、對(duì)微塑性成形過程中的尺寸效應(yīng)進(jìn)行了研究。材料的流動(dòng)應(yīng)力是衡量材料塑性性能的主要標(biāo)準(zhǔn)。由于可以真實(shí)地反映瞬時(shí)的變形程度和變形抗力。固體潤(rùn)滑劑顆粒若分布不均會(huì)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果會(huì)產(chǎn)生很大的影響。而采用液體潤(rùn)滑劑時(shí)，由于試樣與工具表面之間存在潤(rùn)滑油膜，易造成試樣上下端面形成自由表面，在降低摩擦對(duì)鐓粗成形影響的同時(shí)，不受約束的自由表面晶粒沿著最易變形的方向發(fā)生塑性變形而造成表面凹凸不平9。為盡可能減小潤(rùn)滑不均勻?qū)ψ冃蔚挠绊?，試?yàn)中不采用任何潤(rùn)滑劑。為了研究試樣尺寸對(duì)流動(dòng)應(yīng)力的影響，對(duì)直徑分別為 0.6 mm、0.8 mm、1.0 mm、1.5 mm、2.0 mm和3.0 mm，晶粒尺寸為 46 m 的微圓柱試

4、樣進(jìn)行鐓粗試驗(yàn)。通過多次重復(fù)試驗(yàn)取平均值的方法求得不同試樣尺寸下的材料正應(yīng)力應(yīng)變曲線如圖 4 所示。從圖 4 中可以看出：隨著樣件尺寸的減小流動(dòng)應(yīng)力呈現(xiàn)減少的趨勢(shì)。這種現(xiàn)象可以采用表面層模型理論來解釋11。表面層模型認(rèn)為，在小尺度情況下，表面層晶粒增多，表面層變厚。根據(jù)金屬物理原理，與材料內(nèi)部晶粒相比，表面層晶粒所受約束限制較小，在較低的流動(dòng)應(yīng)力下就能變形，這樣變形體的整體應(yīng)力就會(huì)降低，而且晶粒尺寸不變時(shí)，隨著試樣尺寸的減小，其比表面積增大，這種趨勢(shì)更加明顯。這里引入尺寸參數(shù) 來描述表面層晶粒體積分?jǐn)?shù)。其中，截面上的晶粒由表面層晶粒和內(nèi)部晶粒兩部分組成，晶粒假設(shè)為正六面體，晶粒的尺寸為根據(jù)式可

5、得到高徑比 1.51，晶粒尺寸為 46 m 的圓柱試樣的直徑與表面層晶粒體積分?jǐn)?shù) 的關(guān)系，如圖 6 所示。從圖 6 中可以看出，當(dāng)試樣直徑小于 1.0 mm 時(shí)，表面層晶粒體積分?jǐn)?shù) 已大于20%，這也是試樣小于 1.0 mm 時(shí)，材料流動(dòng)應(yīng)力迅速減小的原因。通過對(duì)不同直徑試樣流動(dòng)應(yīng)力的分析發(fā)現(xiàn)：相同應(yīng)變下，流動(dòng)應(yīng)力隨著 的增加基本呈現(xiàn)線性下降的趨勢(shì)，如圖 7 所示。微塑性成形材料的流動(dòng)應(yīng)力可以理解表面層晶粒應(yīng)力surf 和內(nèi)部晶粒應(yīng)力in共同組成。假設(shè)不同表面層晶粒體積分?jǐn)?shù) 1 和 2 下的流動(dòng)應(yīng)力分別為 1 和 2，則有以下關(guān)系晶粒尺寸的影響細(xì)小的晶粒可以改善多晶體材料強(qiáng)度，這一點(diǎn)在微觀組織

6、對(duì)宏觀成形的影響中已經(jīng)被證實(shí)了，并可以根據(jù)位錯(cuò)塞積理論來解釋。而對(duì)于微型件的成形，晶粒尺寸的大小還決定著表面層晶粒的體積分?jǐn)?shù)，從而進(jìn)一步影響到材料的流動(dòng)應(yīng)力,總之，就本文的試驗(yàn)結(jié)果而言，幾何尺寸對(duì)流動(dòng)應(yīng)力的影響較晶粒尺寸的影響要明顯。因此，不同于宏觀成形，在不考慮溫度和應(yīng)變速度的影響的情況下，微塑性成形過程中流動(dòng)應(yīng)力的主要影響因素已經(jīng)不僅僅只有晶粒尺寸，還包括試樣幾何尺寸的影響，而且?guī)缀纬叽缭叫∵@種影響越明顯。 當(dāng)晶粒尺寸一定時(shí)，試樣尺寸越小，變形后的試樣表面凹凸不平的程度越大。這說明與宏觀成形不同，試樣在微小尺度情況下，材料會(huì)呈現(xiàn)出不均勻流動(dòng)的現(xiàn)象。這種現(xiàn)象可以用金屬晶體塑性理論來解釋。當(dāng)外力作用于多晶體時(shí)，各晶?；葡到y(tǒng)上的分切應(yīng)力因晶粒取向不同而相差很大，因而各個(gè)晶粒的變形也就不一樣。但當(dāng)試樣尺寸處于宏觀尺度時(shí)，一方面由于晶粒數(shù)量巨大，單個(gè)晶粒對(duì)整個(gè)變形的影響很小，另一方面由于多晶體中絕大多數(shù)晶粒都被其相鄰晶粒所包圍，這就要求多晶體變形必須依靠晶粒之間的變形協(xié)調(diào)來完成，因此其變形仍表現(xiàn)為均勻的。當(dāng)試樣尺寸處于微觀尺度時(shí)，試樣幾何尺寸和晶粒尺寸之間的比值也隨之減小，這會(huì)對(duì)微塑性成形產(chǎn)生如下影