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微弯曲成形中应变梯度硬化效应的研究

李河宗  
【摘要】:金属塑性微成形在微型零件的生产制造过程中显得越来越重要,并受到广大研究者的重视。但随着微型零件几何尺寸的缩小,其微观晶粒尺寸和表面粗糙度等材料参数却保持不变,从而导致材料的塑性变形行为发生变化,其力学性能等与尺寸大小相关,这些不同于宏观尺寸零件成形时的现象称为尺寸效应现象。传统的塑性成形技术和理论中由于不包含材料尺度量而不能直接应用于塑性微成形工艺中。为研究微成形中的尺寸效应现象,在考虑传统应变硬化的基础上,引入了应变梯度对材料硬化的影响,进而将成形零件的几何尺寸量引入控制方程中,使应变梯度硬化理论能够用于描述微成形中的尺寸效应现象。本文基于金属微成形实验中的尺寸效应现象,采用应变梯度塑性理论研究金属塑性微成形过程中表现出的与尺寸相关的现象。 本文研究了厚度为25μm~500μm的纯铝(99.5%)和CuZn37黄铜薄板材料的单向拉伸实验,结果表明:纯铝的的屈服强度表现出随板料厚度减小而降低的“越小越弱”的尺寸效应现象,这是由于具有脆性氧化膜的纯铝,材料表面层晶粒中的位错更容易滑移出表面并且表面层晶粒所占比例随厚度的减小而增加,进而引起小尺寸材料的软化;CuZn37黄铜的屈服强度却显示出了随板料厚度减小而增强的“越小越强”的尺寸效应现象,这与其表面的韧性氧化膜有关,它的存在阻碍了表面层晶粒中位错的滑出,从而使薄试样的强度增加。这两种材料在表面层应变相同的微弯曲实验中均表现出了明显的“越小越强”的尺寸效应现象,即回弹角随试样板料厚度的减小而增大。微弯曲变形区侧表面微硬度分布表明,厚度较大的细晶粒试样变形区侧表面存在明显的低硬度中心层,而粗晶粒试样变形区中心层不明显。传统的塑性模型不能描述实验中与尺寸相关的现象,需采用包含成形材料尺寸量的应变梯度塑性理论来解释。 采用应变梯度塑性理论对微弯曲实验中存在的尺寸效应现象进行了分析研究。结果表明:包含高阶应力的Fleck-Hutchinson应变梯度硬化模型和基于Taylor关系式而不包含高阶应力的Nix-Gao模型能够显示出微弯曲变形中的尺寸效应现象。但FH应变梯度塑性理论模型需要引入与高阶应变功共轭的高阶应力和特殊的边界条件,其中的内禀尺寸量为根据实验数据拟合得到的保持量纲平衡的量。而在NG应变梯度塑性理论中,不需要引入高阶应力,并且内禀尺寸量具有一定的物理意义,但在分析微弯曲实验时,存在内禀尺寸计算值与根据实验拟合得到的内禀尺寸值不相符的问题;同时考虑到内禀尺寸与晶粒尺寸或晶粒相对尺寸之间的关系,因此我们对NG应变梯度模型进行了修正,以解释弯曲回弹实验中表现出的尺寸效应现象。结果表明:修正的Nix-Gao应变梯度硬化模型给出了更好的计算结果。材料内禀尺寸是应变梯度硬化模型的关键参数之一。为了更准确的描述应变梯度对材料硬化的影响,将厚度方向晶粒数引入到了内禀尺寸表达式中,计算得到的内禀尺寸值和采用实验拟合得到的内禀尺寸值比较接近。进一步说明了厚度方向晶粒数越少由几何必需位错引起的应变梯度对硬化的影响越显著,相反厚度方向晶粒数越多由统计存储位错所反映的均匀变形应变引起的硬化作用越显著,这与采用Hall-Petch关系式对屈服的描述相一致。 极薄试样(如厚度为25μm)的微弯曲实验结果显示出很大的波动性,其微观结构金相照片表明厚度方向仅有单层晶粒,同时又存在明显的尺寸效应现象,因此在晶体塑性理论中引入应变梯度对硬化的影响,在考虑晶粒方位对硬化影响的同时考虑微成形过程中的尺寸效应现象。针对应变梯度晶体塑性理论中求解剪应变梯度的关键核心问题提出了新的简化算法,采用计算点近邻域的方法求得该点与相邻点之间的剪应变梯度。对微压痕成形的模拟结果显示压痕载荷与实验结果较接近,其他结果与研究者的模拟结果比较接近,验证了应变梯度晶体塑性理论模型及剪应变梯度的简化算法的准确性;对微弯曲成形进行了模拟计算:由于晶粒方位的不同导致硬化的各向异性,从微观机制上解释了较薄试样弯曲实验中结果误差波动性较大的原因。


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