纯铜微镦粗过程尺寸效应

纯铜微镦粗过程尺寸效应1130910327苏靖钦在微塑性成形试验机上对纯铜圆柱试样进行恒定速度的微镦粗试验，通过热处理和精细线切割技术，设计不同的试样尺寸和晶粒尺寸，分别研究晶粒尺寸和试样尺寸对微塑性成形的影响。研究发现：试样流动应力随着试样尺寸的减小而减小，其减小趋势与表面晶粒体积分数存在线性关系；当试样尺寸较大时，晶粒尺寸对试样流动应力的影响并不明显，而随着试样尺寸的减小，大尺寸晶粒试样的流动应力要明显低于小晶粒尺寸的试样；当试样尺寸较小时，试样在微镦粗过程中表现出明显的不均匀性。通过表面层理论和细晶强化对有试样尺寸和晶粒尺寸变化引起的尺寸效应现象进行解释，同时，引入尺度参数量化由试样尺寸引起的尺寸效应现象，从而对当应变一定时流动应力随着表面层晶粒体积分数φ呈现近似线性变化的原因进行解释。在微塑性成形过程中，材料本身的性能对零件和工艺设计都有非常重要的意义。因此，与材料性能有关的尺寸效应的研究成为微塑性成形研究的热点。在对CuZn15微镦粗试验的研究中发现：相同晶粒尺寸下，当试样尺寸减小时，材料的流动应力也随之减小。当挤出部分直径小于lmm时，60%的试样挤出部分出现了弯曲，这说明微成形过程中单个晶粒对整个变形的影响变大了。然而，对尺寸效应现象及其产生机理的认识仍然不足。在微塑性成形工艺中，微镦粗试验是研究微塑性成形过程中材料尺寸效应的主要手段。本文设计了不同的试样尺寸和晶粒尺寸，对微塑性成形过程中的尺寸效应进行了研究。材料的流动应力是衡量材料塑性性能的主要标准。由于可以真实地反映瞬时的变形程度和变形抗力。固体润滑剂颗粒若分布不均会对试验结果会产生很大的影响。而采用液体润滑剂时，由于试样与工具表面之间存在润滑油膜，易造成试样上下端面形成自由表面，在降低摩擦对镦粗成形影响的同时，不受约束的自由表面晶粒沿着最易变形的方向发生塑性变形而造成表面凹凸不平[9]。为尽可能减小润滑不均匀对变形的影响，试验中不采用任何润滑剂。为了研究试样尺寸对流动应力的影响，对直径分别为0.6mm、0.8mm、1.0mm、1.5mm、2.0mm和3.0mm，晶粒尺寸为46μm的微圆柱试样进行镦粗试验。通过多次重复试验取平均值的方法求得不同试样尺寸下的材料正应力应变曲线如图4所示。从图4中可以看出：随着样件尺寸的减小流动应力呈现减少的趋势。这种现象可以采用表面层模型理论来解释[11]。表面层模型认为，在小尺度情况下，表面层晶粒增多，表面层变厚。根据金属物理原理，与材料内部晶粒相比，表面层晶粒所受约束限制较小，在较低的流动应力下就能变形，这样变形体的整体应力就会降低，而且晶粒尺寸不变时，随着试样尺寸的减小，其比表面积增大，这种趋势更加明显。这里引入尺寸参数φ来描述表面层晶粒体积分数。其中，截面上的晶粒由表面层晶粒和内部晶粒两部分组成，晶粒假设为正六面体，晶粒的尺寸为根据式可得到高径比1.5∶1，晶粒尺寸为46μm的圆柱试样的直径与表面层晶粒体积分数φ的关系，如图6所示。从图6中可以看出，当试样直径小于1.0mm时，表面层晶粒体积分数φ已大于20%，这也是试样小于1.0mm时，材料流动应力迅速减小的原因。通过对不同直径试样流动应力的分析发现：相同应变下，流动应力随着φ的增加基本呈现线性下降的趋势，如图7所示。微塑性成形材料的流动应力可以理解表面层晶粒应力σsurf和内部晶粒应力σin共同组成。假设不同表面层晶粒体积分数φ1和φ2下的流动应力分别为σ1和σ2，则有以下关系晶粒尺寸的影响细小的晶粒可以改善多晶体材料强度，这一点在微观组织对宏观成形的影响中已经被证实了，并可以根据位错塞积理论来解释。而对于微型件的成形，晶粒尺寸的大小还决定着表面层晶粒的体积分数，从而进一步影响到材料的流动应力,总之，就本文的试验结果而言，几何尺寸对流动应力的影响较晶粒尺寸的影响要明显。因此，不同于宏观成形，在不考虑温度和应变速度的影响的情况下，微塑性成形过程中流动应力的主要影响因素已经不仅仅只有晶粒尺寸，还包括试样几何尺寸的影响，而且几何尺寸越小这种影响越明显。当晶粒尺寸一定时，试样尺寸越小，变形后的试样表面凹凸不平的程度越大。这说明与宏观成形不同，试样在微小尺度情况下，材料会呈现出不均匀流动的现象。这种现象可以用金属晶体塑性理论来解释。当外力作用于多晶体时，各晶粒滑移系统上的分切应力因晶粒取向不同而相差很大，因而各个晶粒的变形也就不一样。但当试样尺寸处于宏观尺度时，一方面由于晶粒数量巨大，单个晶粒对整个变形的影响很小，另一方面由于多晶体中绝大多数晶粒都被其相邻晶粒所包围，这就要求多晶体变形必须依靠晶粒之间的变形协调来完成，因此其变形仍表现为均匀的。当试样尺寸处于微观尺度时，试样几何尺寸和晶粒尺寸之间的比值也随之减小，这会对微塑性成形产生如下影响：一方面构成试样的晶粒总体数目减少了，单个晶粒由于形状和位向的差异而会导致微塑性成形的不均匀性；另一方面与自由表面接触的晶粒相对数量却增加了，这些晶粒本身受到周围晶粒的约束较小，这势必加剧材料变形的不均匀性。