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超声激励下介观尺度纯钛塑性流动机理研究及超声辅助微针阵列成形

路腾腾  
【摘要】:随着现代工业制成品日益微型化,微塑性成形技术在微型零件制造方面表现出巨大的发展潜力。但是,介观尺度下发生的诸多尺寸效应现象、工件尺寸特征的微型化使得工艺设计和模具设计更加复杂。为了解决微塑性成形中工件成形困难的问题,本文引入了超声振动辅助微塑性成形的方式来改善工件的成形质量。材料的塑性变形过程中施加超声振动会产生材料软化等一系列宏观、微观现象,但是目前在超声振动对材料塑性流动影响机理研究方面,大多数研究集中于超声振动产生的流动应力下降现象,关于超声振动对材料微观结构演化的研究却很少,超声振动对材料塑性流动影响的微观物理机理仍不明确。本文设计搭建了一套谐振频率20KHz、额定功率1200W的超声振动试验系统装置。使用该试验装置研究了应变速率、晶粒尺寸、试样尺寸和超声振幅对超声振动条件下介观尺度纯钛塑性变形行为的影响,建立了考虑试样尺寸和超声振幅影响的超声振动条件下介观尺度纯钛的本构模型;其次通过SEM技术分析了变形后试样的微观形貌,使用EBSD技术分析了变形后试样的孪晶分布,揭示了介观尺度纯钛的非均匀变形行为以及超声振动对材料“软化”效应的微观机理;设计了微针阵列镦挤复合成形模具,初步研究了超声振动对微针阵列成形质量的影响。通过对纯钛微圆柱体试验结果的分析,本文所研究的应变速率和晶粒尺寸对介观尺度纯钛塑性变形的影响不显著;材料流动应力随试样尺寸减小而增大,随超声振幅增加而减小。通过对压缩后试样微观形貌的分析,发现随着试样尺寸的减小,试样的端面轮廓由较规则的圆形变为不规则形状,侧面由较光顺的弧面变得凹凸不平,说明随着试样尺寸的减小材料的非均匀变形程度增加。通过对不同压下量时无超声振动和施加超声振动压缩后试样的孪晶分布分析,发现随着压下量的增加,试样中孪晶的体积分数增加,说明材料需要不断产生孪晶协调变形的进行;在两种压下量条件下,施加超声振动的试样的孪晶界长度均小于没有施加超声振动的试样的孪晶界长度,可知施加超声振动后的试样在相同压下量条件下所需的孪晶数减小,说明超声振动促进了位错运动,使得材料发生“软化”。在此基础上,开展了纯钛微针阵列超声振动辅助镦挤复合成形工艺的初步研究。设计了具有9个直径?0.1mm的圆孔阵列特征的模具装置,并与本文所设计的超声振动试验系统耦合。初步分析了超声振动对微针阵列成形质量的影响,通过对所成形微针阵列外观形貌的分析,可以看出施加超声振动后微针的表面光洁度有所增加。


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