基于細觀塑性理論的微成形尺度效應研究.pdf

1、作為一種新興多學科交叉的微型零件制造技術,微成形自出現(xiàn)以來就因其具有諸多優(yōu)點而受到廣泛關注,并已用于部分微型零件的制造。然而,由于微小尺度下一系列尺度效應現(xiàn)象的出現(xiàn),導致了傳統(tǒng)塑性成形理論和工藝、模具及設備等相關理論和知識不能直接用于微成形領域,限制了微成形技術的發(fā)展與廣泛應用。因此,對微成形中各種尺度效應現(xiàn)象的深入理解與研究就成了微成形技術發(fā)展的關鍵。
　　 本文在對微成形及各種尺度效應現(xiàn)象研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢詳細分析基礎上,對

2、微成形中的尺度效應現(xiàn)象進行了以下幾方面的研究:
　　 基于多晶體流動應力位錯塞積模型及表面層模型,建立了考慮晶粒位置影響的多晶體流動應力模型,給出了連續(xù)變化的坯料流動應力分布表達式:提出了自由表面影響區(qū)域的概念,并建立了自由表面影響區(qū)域與晶粒尺寸、坯料尺寸的關系；提出了尺度效應因子的概念,并具體給出了圓截面坯料和板料的尺度效應因子表達式；建立了連續(xù)變化的坯料流動應力與晶粒尺寸、坯料尺寸及形狀的關系式。通過本文所建模型及表達式,實

3、現(xiàn)了對流動應力下降尺度效應的定量描述與預測,為微成形工藝中對此類尺度效應的控制提供了相關理論依據(jù)。在此基礎上,本文還對自由表面影響區(qū)域、流動應力下降尺度效應及坯料流動應力與晶粒尺寸、坯料尺寸及形狀的關系進行了討論與預測,指出當坯料尺寸約為四個晶粒直徑時,坯料流動應力下降幅度最大,流動應力下降尺度效應現(xiàn)象最明顯。
　　 基于多晶體流動應力位錯塞積模型及表面層模型,通過引入描述晶粒尺寸和取向的隨機變量,建立了考慮晶粒尺寸、取向及位置

4、影響,具有隨機波動特點的多晶體流動應力模型；建立了包含上述隨機因素的坯料流動應力表達式,并給出了坯料流動應力變異系數(shù)與坯料平均流動應力、平均晶粒直徑及分布、平均晶粒取向及分布、坯料尺寸及形狀的關系式。通過本文所建模型及表達式,實現(xiàn)了對流動應力波動尺度效應的定量描述與預測,為微成形工藝中對此類尺度效應的控制提供了相關理論依據(jù)。在此基礎上,本文還對流動應力波動尺度效應及坯料流動應力變異系數(shù)與晶粒平均直徑及分布、平均晶粒取向及分布、坯料尺寸及

5、形狀的關系進行了討論。
　　 通過不同晶粒尺寸微型銅圓柱體坯料鐓粗實驗,對材料非均勻流動尺度效應進行了研究,發(fā)現(xiàn)微小尺度下材料呈現(xiàn)出明顯非均勻流動特點,且材料流動的非均勻性隨晶粒尺寸及應變量的增大而增大;通過不同晶粒尺寸及橫截面尺寸試件拉伸實驗,對塑性下降尺度效應進行了研究,發(fā)現(xiàn)隨著晶粒尺寸的增大及試件尺寸的減小,材料延伸率逐漸降低；隨著試件橫截面晶粒個數(shù)的減少,材料延伸率的隨機性逐漸增大。
　　 設計、制造了微型鐓擠模

6、具,用具有不同晶粒尺寸微型銅圓柱體坯料進行了微型鐓擠復合成形實驗,對微成形工藝及模具設計進行了初步探索,給出了成形過程中材料流動及凸模壓力變化特點；比較不同晶粒尺寸坯料成形時的凸模壓力發(fā)現(xiàn)晶粒尺寸對本研究中的微型鐓擠成形工藝各個階段成形力變化特點沒有明顯影響。
　　 基于率相關晶體塑性本構關系及Taylor多晶體模型,以通用有限元軟件MARC為平臺,開發(fā)了晶體塑性有限元模擬程序,對晶體塑性有限元理論用于微成形尺度效應模擬研究的可