基于細(xì)觀塑性理論的微成形尺度效應(yīng)研究.pdf

1、作為一種新興多學(xué)科交叉的微型零件制造技術(shù),微成形自出現(xiàn)以來就因其具有諸多優(yōu)點(diǎn)而受到廣泛關(guān)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(yīng)現(xiàn)象的出現(xiàn),導(dǎo)致了傳統(tǒng)塑性成形理論和工藝、模具及設(shè)備等相關(guān)理論和知識(shí)不能直接用于微成形領(lǐng)域,限制了微成形技術(shù)的發(fā)展與廣泛應(yīng)用。因此,對(duì)微成形中各種尺度效應(yīng)現(xiàn)象的深入理解與研究就成了微成形技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵。
　　 本文在對(duì)微成形及各種尺度效應(yīng)現(xiàn)象研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)詳細(xì)分析基礎(chǔ)上,對(duì)

2、微成形中的尺度效應(yīng)現(xiàn)象進(jìn)行了以下幾方面的研究:
　　 基于多晶體流動(dòng)應(yīng)力位錯(cuò)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(dòng)應(yīng)力模型,給出了連續(xù)變化的坯料流動(dòng)應(yīng)力分布表達(dá)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(guān)系；提出了尺度效應(yīng)因子的概念,并具體給出了圓截面坯料和板料的尺度效應(yīng)因子表達(dá)式；建立了連續(xù)變化的坯料流動(dòng)應(yīng)力與晶粒尺寸、坯料尺寸及形狀的關(guān)系式。通過本文所建模型及表達(dá)式,實(shí)

3、現(xiàn)了對(duì)流動(dòng)應(yīng)力下降尺度效應(yīng)的定量描述與預(yù)測(cè),為微成形工藝中對(duì)此類尺度效應(yīng)的控制提供了相關(guān)理論依據(jù)。在此基礎(chǔ)上,本文還對(duì)自由表面影響區(qū)域、流動(dòng)應(yīng)力下降尺度效應(yīng)及坯料流動(dòng)應(yīng)力與晶粒尺寸、坯料尺寸及形狀的關(guān)系進(jìn)行了討論與預(yù)測(cè),指出當(dāng)坯料尺寸約為四個(gè)晶粒直徑時(shí),坯料流動(dòng)應(yīng)力下降幅度最大,流動(dòng)應(yīng)力下降尺度效應(yīng)現(xiàn)象最明顯。
　　 基于多晶體流動(dòng)應(yīng)力位錯(cuò)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(jī)變量,建立了考慮晶粒尺寸、取向及位置

4、影響,具有隨機(jī)波動(dòng)特點(diǎn)的多晶體流動(dòng)應(yīng)力模型；建立了包含上述隨機(jī)因素的坯料流動(dòng)應(yīng)力表達(dá)式,并給出了坯料流動(dòng)應(yīng)力變異系數(shù)與坯料平均流動(dòng)應(yīng)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(guān)系式。通過本文所建模型及表達(dá)式,實(shí)現(xiàn)了對(duì)流動(dòng)應(yīng)力波動(dòng)尺度效應(yīng)的定量描述與預(yù)測(cè),為微成形工藝中對(duì)此類尺度效應(yīng)的控制提供了相關(guān)理論依據(jù)。在此基礎(chǔ)上,本文還對(duì)流動(dòng)應(yīng)力波動(dòng)尺度效應(yīng)及坯料流動(dòng)應(yīng)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(guān)系進(jìn)行了討論。
　　 通過不同晶粒尺寸微型銅圓柱體坯料鐓粗實(shí)驗(yàn),對(duì)材料非均勻流動(dòng)尺度效應(yīng)進(jìn)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(dòng)特點(diǎn),且材料流動(dòng)的非均勻性隨晶粒尺寸及應(yīng)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(shí)驗(yàn),對(duì)塑性下降尺度效應(yīng)進(jìn)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(gè)數(shù)的減少,材料延伸率的隨機(jī)性逐漸增大。
　　 設(shè)計(jì)、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(jìn)行了微型鐓擠復(fù)合成形實(shí)驗(yàn),對(duì)微成形工藝及模具設(shè)計(jì)進(jìn)行了初步探索,給出了成形過程中材料流動(dòng)及凸模壓力變化特點(diǎn)；比較不同晶粒尺寸坯料成形時(shí)的凸模壓力發(fā)現(xiàn)晶粒尺寸對(duì)本研究中的微型鐓擠成形工藝各個(gè)階段成形力變化特點(diǎn)沒有明顯影響。
　　 基于率相關(guān)晶體塑性本構(gòu)關(guān)系及Taylor多晶體模型,以通用有限元軟件MARC為平臺(tái),開發(fā)了晶體塑性有限元模擬程序,對(duì)晶體塑性有限元理論用于微成形尺度效應(yīng)模擬研究的可