超声振动辅助纯铜微镦粗实验与模拟研究

【摘要】：材料充填流动性能差、接触摩擦力大、成形精度差、变形不均匀性严重等难题严重制约着微塑性成形技术的发展。超声振动辅助微成形具有提高材料的成形性能、降低成形过程中的载荷以及改善模具与材料之间的摩擦等优点,成为近年来的研究热点,并为解决微体积成形中面临的问题提供了崭新的思路。因此,进行超声振动辅助纯铜微镦粗理论与实验研究,对于丰富和发展微塑性成形理论和工艺,促进超声振动辅助微塑性成形技术的应用和发展具有重要的理论意义与工程价值。本文以超声振动辅助纯铜微镦粗为研究对象,通过微镦粗实验、晶粒尺度数值模拟与分子动力学模拟等方法,系统地研究了超声振动对纯铜微镦粗变形的成形载荷、流动应力、微观组织、界面摩擦和位错演变等的影响规律,揭示了超声振动在材料变形中的作用机理。论文的主要研究内容如下:进行了纯铜超声振动辅助微镦粗试验,将频率为28 kHz,不同振幅的超声振动施加到纯铜的室温镦粗过程中,研究了超声振动对纯铜微镦粗过程中的流动应力、变形质量和显微组织的影响规律。研究了不同试样尺寸、晶粒尺寸下超声振动辅助微镦粗过程中流动应力的变化,分析了超声振动辅助微体积成形过程中的尺寸效应。在对现有的材料本构模型与尺寸参数模型进行综合研究的基础上,给出了优化后表面层区域的比例、晶界体积分数的计算方法,考虑了不同的晶粒取向、晶界强化与表面层理论,建立了晶粒尺度下纯铜材料的本构模型。并提出了基于实验数据的本构关系求解方法,通过实验验证了模型的准确性。建立了晶粒尺度下超声振动辅助纯铜微镦粗过程的有限元模拟模型,模拟研究了超声振动参数、工艺参数和坯料参数对超声振动辅助微镦粗过程中材料变形行为的影响,分析了超声振动微镦粗过程中成形载荷、流动应力、应力应变分布、材料流动、界面摩擦以及试样鼓形程度等的变化规律,阐明了超声振动辅助微镦粗过程中的体积效应与表面效应的作用机制。运用分子动力学方法,建立了[100]晶向单晶铜的超声振动辅助压缩模型。分析了常规压缩下试样的应力、总位错长度与应变之间的关系以及晶体内部各类型原子的变化。研究了原子、位错在超声振动作用下的运动状态以及原子间结合强度的变化,揭示了超声振动辅助微体积成形过程中材料的变形行为与变化规律,以及微尺度条件下超声振动对材料行为的作用机制。