純鎳微成形流動(dòng)應(yīng)力尺寸效應(yīng)及充填行為研究.pdf

1、塑性微成形技術(shù)相對(duì)于其他微細(xì)加工技術(shù)而言，在加工效率、材料利用率、制造成本、零件性能和尺寸精度等方面具有明顯的優(yōu)勢，其將對(duì)產(chǎn)品微型化的快速發(fā)展起到至關(guān)重要的推動(dòng)作用。然而，塑性微成形并不是宏觀塑性成形工藝的簡單微型化。當(dāng)金屬零件的尺寸或特征尺寸降低到介觀尺度時(shí)，此時(shí)材料的塑性變形行為與宏觀成形存在明顯區(qū)別，表現(xiàn)出明顯的尺寸依賴性現(xiàn)象，即出現(xiàn)了明顯的尺寸效應(yīng)現(xiàn)象。尺寸效應(yīng)是塑性微成形中最根本的問題，也是國際上該領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn)，迫切需

2、要深入開展相關(guān)基礎(chǔ)研究。
　　本文首先實(shí)驗(yàn)研究了介觀尺度單向壓縮過程中的塑性變形行為，包括流動(dòng)應(yīng)力尺寸效應(yīng)和非均勻變形行為，建立了介觀尺度多晶體材料流動(dòng)應(yīng)力尺寸效應(yīng)模型，揭示了微型圓柱單向壓縮流動(dòng)應(yīng)力尺寸效應(yīng)機(jī)理，其次實(shí)驗(yàn)研究了微型槽模壓充填行為，揭示了微型槽模壓充填機(jī)理，最后以微型渦輪作為典型構(gòu)件系統(tǒng)研究了復(fù)雜微型構(gòu)件精密模鍛工藝，解決了復(fù)雜微型構(gòu)件整體成形關(guān)鍵技術(shù)。
　　基于微型圓柱單向壓縮實(shí)驗(yàn)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一套適用微型圓

3、柱單向壓縮實(shí)驗(yàn)的模具裝置，系統(tǒng)開展了微型圓柱單向壓縮實(shí)驗(yàn)研究。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，隨著晶粒尺寸的增加或試樣尺寸的減小，材料的非均勻變形程度逐漸增加；隨著晶粒尺寸的增加，材料的流動(dòng)應(yīng)力逐漸降低，當(dāng)試樣直徑方向上的晶粒數(shù)量降低到3-4個(gè)時(shí)，流動(dòng)應(yīng)力反而增加。當(dāng)試樣尺寸與晶粒尺寸之比大于9時(shí)，主要表現(xiàn)為流動(dòng)應(yīng)力晶粒尺寸效應(yīng)現(xiàn)象，反之，主要表現(xiàn)為流動(dòng)應(yīng)力試樣尺寸效應(yīng)現(xiàn)象。
　　基于宏觀多晶體材料流動(dòng)應(yīng)力與晶粒尺寸之間的Hall-Petch關(guān)系，

4、考慮晶粒分布邊界條件對(duì)其Taylor因子和晶界密度的影響，分析了試樣尺寸、晶粒尺寸及模具約束等對(duì)表層晶粒比重、內(nèi)部晶粒比重、模具約束晶粒比重及晶界尺寸因子等參數(shù)的影響，并建立了流動(dòng)應(yīng)力與各參數(shù)之間的函數(shù)關(guān)系，構(gòu)建了介觀尺度多晶體材料流動(dòng)應(yīng)力尺寸效應(yīng)理論模型。分析結(jié)果表明，對(duì)于單向壓縮而言，當(dāng)試樣尺寸與晶粒尺寸之比降低到6以下時(shí)出現(xiàn)了明顯的流動(dòng)應(yīng)力試樣尺寸效應(yīng)；而對(duì)于單向拉伸而言，當(dāng)試樣尺寸與晶粒尺寸之比降低到4以下時(shí)出現(xiàn)了明顯的流動(dòng)應(yīng)力

5、試樣尺寸效應(yīng)。
　　微型槽模壓實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，材料的模壓充填能力主要與槽寬尺寸t和槽寬尺寸與晶粒尺寸之比t/d有關(guān)。當(dāng) t=50μm，t/d=1.04時(shí)，此時(shí)材料充填最為困難，且隨著槽寬尺寸的增加，該t/d臨界值逐漸增加。當(dāng)槽寬尺寸增加到300μm時(shí)，該 t/d臨界值消失。電子背散射衍射(EBSD)分析結(jié)果表明，當(dāng)微型槽模壓的槽寬方向有多個(gè)晶粒時(shí)，各晶粒之間的塑性變形是不均勻的。位于凹模入口處的晶粒塑性變形程度最大，內(nèi)部晶粒次之，端

6、部晶粒變形程度最?。欢鴮?duì)于微型槽模壓的槽寬方向只有1個(gè)晶粒時(shí)，單個(gè)晶粒的內(nèi)部發(fā)生劇烈塑性變形，出現(xiàn)了晶粒破碎現(xiàn)象，破碎的晶粒沿著材料流動(dòng)方向分布，并伴有伸長現(xiàn)象。
　　在此基礎(chǔ)之上，開展了純鎳和7075鋁合金微型渦輪精密模鍛工藝研究。為了便于取出成形后的微型構(gòu)件，設(shè)計(jì)了具有螺釘頂出機(jī)構(gòu)的模具裝置。純鎳微型渦輪室溫模鍛實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，無論粗晶還是細(xì)晶材料在常溫下都無法成形出高質(zhì)量的微型渦輪構(gòu)件。通過7075鋁合金等溫精密微模鍛實(shí)驗(yàn)，系