微彎曲成形中應(yīng)變梯度硬化效應(yīng)的研究.pdf

1、金屬塑性微成形在微型零件的生產(chǎn)制造過程中顯得越來越重要,并受到廣大研究者的重視。但隨著微型零件幾何尺寸的縮小,其微觀晶粒尺寸和表面粗糙度等材料參數(shù)卻保持不變,從而導(dǎo)致材料的塑性變形行為發(fā)生變化,其力學(xué)性能等與尺寸大小相關(guān),這些不同于宏觀尺寸零件成形時(shí)的現(xiàn)象稱為尺寸效應(yīng)現(xiàn)象。傳統(tǒng)的塑性成形技術(shù)和理論中由于不包含材料尺度量而不能直接應(yīng)用于塑性微成形工藝中。為研究微成形中的尺寸效應(yīng)現(xiàn)象,在考慮傳統(tǒng)應(yīng)變硬化的基礎(chǔ)上,引入了應(yīng)變梯度對材料硬化的影

2、響,進(jìn)而將成形零件的幾何尺寸量引入控制方程中,使應(yīng)變梯度硬化理論能夠用于描述微成形中的尺寸效應(yīng)現(xiàn)象。本文基于金屬微成形實(shí)驗(yàn)中的尺寸效應(yīng)現(xiàn)象,采用應(yīng)變梯度塑性理論研究金屬塑性微成形過程中表現(xiàn)出的與尺寸相關(guān)的現(xiàn)象。
　　 本文研究了厚度為25μm～500gm的純鋁(99.5％)和CuZn37黃銅薄板材料的單向拉伸實(shí)驗(yàn),結(jié)果表明:純鋁的的屈服強(qiáng)度表現(xiàn)出隨板料厚度減小而降低的“越小越弱”的尺寸效應(yīng)現(xiàn)象,這是由于具有脆性氧化膜的純鋁,材料

3、表面層晶粒中的位錯(cuò)更容易滑移出表面并且表面層晶粒所占比例隨厚度的減小而增加,進(jìn)而引起小尺寸材料的軟化;CuZn37黃銅的屈服強(qiáng)度卻顯示出了隨板料厚度減小而增強(qiáng)的“越小越強(qiáng)”的尺寸效應(yīng)現(xiàn)象,這與其表面的韌性氧化膜有關(guān),它的存在阻礙了表面層晶粒中位錯(cuò)的滑出,從而使薄試樣的強(qiáng)度增加。這兩種材料在表面層應(yīng)變相同的微彎曲實(shí)驗(yàn)中均表現(xiàn)出了明顯的“越小越強(qiáng)”的尺寸效應(yīng)現(xiàn)象,即回彈角隨試樣板料厚度的減小而增大。微彎曲變形區(qū)側(cè)表面微硬度分布表明,厚度較大

4、的細(xì)晶粒試樣變形區(qū)側(cè)表面存在明顯的低硬度中心層,而粗晶粒試樣變形區(qū)中心層不明顯。傳統(tǒng)的塑性模型不能描述實(shí)驗(yàn)中與尺寸相關(guān)的現(xiàn)象,需采用包含成形材料尺寸量的應(yīng)變梯度塑性理論來解釋。
　　 采用應(yīng)變梯度塑性理論對微彎曲實(shí)驗(yàn)中存在的尺寸效應(yīng)現(xiàn)象進(jìn)行了分析研究。結(jié)果表明:包含高階應(yīng)力的Fleck-Hutchinson應(yīng)變梯度硬化模型和基于Taylor關(guān)系式而不包含高階應(yīng)力的Nix-Gao模型能夠顯示出微彎曲變形中的尺寸效應(yīng)現(xiàn)象。但FH應(yīng)變

5、梯度塑性理論模型需要引入與高階應(yīng)變功共軛的高階應(yīng)力和特殊的邊界條件,其中的內(nèi)稟尺寸量為根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合得到的保持量綱平衡的量。而在NG應(yīng)變梯度塑性理論中,不需要引入高階應(yīng)力,并且內(nèi)稟尺寸量具有一定的物理意義,但在分析微彎曲實(shí)驗(yàn)時(shí),存在內(nèi)稟尺寸計(jì)算值與根據(jù)實(shí)驗(yàn)擬合得到的內(nèi)稟尺寸值不相符的問題;同時(shí)考慮到內(nèi)稟尺寸與晶粒尺寸或晶粒相對尺寸之間的關(guān)系,因此我們對NG應(yīng)變梯度模型進(jìn)行了修正,以解釋彎曲回彈實(shí)驗(yàn)中表現(xiàn)出的尺寸效應(yīng)現(xiàn)象。結(jié)果表明:修正

6、的Nix-Gao應(yīng)變梯度硬化模型給出了更好的計(jì)算結(jié)果。材料內(nèi)稟尺寸是應(yīng)變梯度硬化模型的關(guān)鍵參數(shù)之一。為了更準(zhǔn)確的描述應(yīng)變梯度對材料硬化的影響,將厚度方向晶粒數(shù)引入到了內(nèi)稟尺寸表達(dá)式中,計(jì)算得到的內(nèi)稟尺寸值和采用實(shí)驗(yàn)擬合得到的內(nèi)稟尺寸值比較接近。進(jìn)一步說明了厚度方向晶粒數(shù)越少由幾何必需位錯(cuò)引起的應(yīng)變梯度對硬化的影響越顯著,相反厚度方向晶粒數(shù)越多由統(tǒng)計(jì)存儲(chǔ)位錯(cuò)所反映的均勻變形應(yīng)變引起的硬化作用越顯著,這與采用Hall-Petch關(guān)系式對屈服

7、的描述相一致。
　　 極薄試樣(如厚度為25μm)的微彎曲實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示出很大的波動(dòng)性,其微觀結(jié)構(gòu)金相照片表明厚度方向僅有單層晶粒,同時(shí)又存在明顯的尺寸效應(yīng)現(xiàn)象,因此在晶體塑性理論中引入應(yīng)變梯度對硬化的影響,在考慮晶粒方位對硬化影響的同時(shí)考慮微成形過程中的尺寸效應(yīng)現(xiàn)象。針對應(yīng)變梯度晶體塑性理論中求解剪應(yīng)變梯度的關(guān)鍵核心問題提出了新的簡化算法,采用計(jì)算點(diǎn)近鄰域的方法求得該點(diǎn)與相鄰點(diǎn)之間的剪應(yīng)變梯度。對微壓痕成形的模擬結(jié)果顯示壓痕載荷