（材料加工工程专业论文）微塑性体积成形中尺寸效应的研究.pdf

哈尔滨丁业大学t学硕_ 学位论文 摘要 随着微机电系统的高速发展，微型零件的需求越来越迫切。微塑性成形 技术作为微加工的一种，在微型零件的精密成形中发挥着非常重要的作用。 由于成形件尺寸极其微小，尺寸效应扮演着十分重要的角色，并成为微塑性 成形研究的基本问题。本文采用微墩粗压缩实验和模压实验研究了微塑性体 积成形中的尺寸效应规律。 为了研究微塑性成形尺寸效应在材料流动应力和显微组织方面的规律， 在自行研制的精密微塑性成形系统上对 l 5纯铝圆柱形试样进行等温恒应变 速率压缩实验，揭示了试件尺寸、晶粒尺寸、变形温度、应变速率和变形程 度对材料流动应力尺寸效应的影啊规律。通过对压缩试样进行表面形貌和金 相显微组织的观察，分析各参数对材料各向异性的影响。实验结果表明，试 件尺寸越小、晶粒尺寸越大，材料的流动应力尺寸效应和各向异性越明显， 且在低温高应变速率和大变形程度下表现得越敏感。 设计制造微型直 槽模具， 槽宽为4 0 w m - 1 2 0 u m不等， 对l 5 纯铝材料进 行微模压实验。研究晶粒尺寸、 槽宽尺寸以及晶粒尺寸与槽宽之比对微填充 成形性尺寸效应的影响。将成形件筋的高宽比作为表征微填充成形性尺寸效 应的参数，采用激光共焦显微镜对成形件筋的高度进行测量，借助 s e m 和 激光共焦显微镜对成形件筋的表面质量进行分析。实验结果表明，晶粒尺寸 越大，其成形件筋高宽比越大，槽宽尺寸对成形件筋高宽比的影响与材料晶 粒尺寸相关。晶粒尺寸与槽宽尺寸之比越小，成形件筋表面质量越好。 建立自由表面层模型来解释微塑性成形中的尺寸效应规律，自由表面层 所占的变形体积分数越大，其尺寸效应越明显。自由表面层部分的加工硬化 和软化速率均小于内部，造成了不同变形条件对流动应力尺寸效应的敏感程 度不同。 关键词微成形;尺寸效应;流动应力;显微组织:模压 哈尔滨不业大学丁学150 学位论文 ab s t r a c t w i t h t h e r a p i d d e v e l o p m e n t o f t h e m i c r o e l e c t r o m e c h a n i c a l s y s t e m s , t h e r e q u i r e m e n t s o f m i c r o p a rt s b e c o m e m o r e a n d m o r e u r g e n t . a s o n e o f m i c r o m a n u f a c t u r e w a y s , m i c r o f o r m i n g h a s q u i t e i m p o r t a n t s t a t i o n i n t h e p r e c i s i o n f o r m i n g o f m i c r o p a rt s . b e c a u s e t h e s p e c i m e n i s e x t r e m e l y s m a l l , s i z e e f f e c t p l a y s a q u it e i m p o r t a n t r o l e a n d b e c o m e s t h e b a s i c r e s e a r c h m a t t e r o f m i c r o f o r m i n g . i n t h e t h e s i s , t h e m i c r o u p s e t t i n g a n d c o i n i n g t e s t s a r e a d o p t e d t o i n v e s t i g a t e t h e s i z e e f f e c t i n t h e m i c r o b u l k m e t a l f o r m i n g . t o i n v e s t i g a t e t h e s i z e e f f e c t r u l e o f m i c r o f o r m i n g o n fl o w s t r e s s a n d m i c r o s t r u c t u r e , i s o t h e r m a l c o n s t a n t - s t r a i n r a t e c o m p r e s s i o n t e s t s a r e p e r f o r m e d w i t h t h e p u r e a l u m i n u m l 5 c y l i n d e r o n t h e p r e c i s i o n m i c r o - f o r m in g a p p a r a t u s . o n t h e b a s i s o f e x p e r i m e n t s , e f f e c t s o f s p e c i m e n s iz e , g r a in s i z e , t e m p e r a t u r e , s t r a i n r a t e a n d s t r a i n o n t h e s i z e e f f e c t o f fl o w s t r e s s a r e s t u d i e d . t h e s u r f a c e p a t t e r n a n d m i c r o s t r u c t u r e o f d e f o r m e d s p e c i m e n s a r e o b s e r v e d t o i n v e s t i g a t e t h e e f f e c t s o f e a c h p a r a m e t e r o n t h e a n i s o t r o p i c m a t e r i a l . t h e r e s u lt s o f t h e e x p e r i m e n t s i n d i c a t e t h a t t h e s i z e e f f e c t s o n fl o w s t r e s s a n d a n i s o t r o p y a r e m o r e s e v e r e w i t h t h e d e c r e a s i n g o f s p e c i m e n s i z e a n d i n c r e a s i n g o f g r a i n s i z e . t h i s t r e n d b e c o m e s m o r e s e v e r e w i t h t h e i n c r e a s i n g o f s t r a i n r a t e a n d s t r a i n . a n d t h e s a me r u l e i s a l s o a p p a r e n t ly s h o w e d w i t h t h e d e c r e a s i n g o f t e m p e r a t u r e . i n t h e t h e s i s , t h e m i c r o s t r a i g h t c h a n n e l d i e i s d e s i g n e d a n d m a n u f a c t u r e d , w h o s e w i d t h r a n g e s f r o m 4 0 1 t m t o 1 2 0 1 x m . t h e m i c r o c o i n i n g e x p e r i m e n t s a r e p e r f o r m e d w i t h t h e p u r e a l u m i n u m l 5 . t h e i n fl u e n c e o f g r a i n s i z e , w i d t h o f t h e c h a n n e l a n d t h e r a t i o n o f . t h e m o n s i z e e f f e c t o f m i c r o f i l l i n g f o r m a b i l i t y i s a n a l y z e d . e v a l u a t i o n o f s i z e e f f e c t i s m a d e b y t h e r a t i o n o f h e i g h t t o w i d t h o f f o r m i n g r i b . t h e h e i g h t o f f o r m i n g r i b i s m e a s u r e d b y l e x t . a n d t h e s u r f a c e o f t o p o g r a p h y o f t h e f o r m e d p a rt s i s o b s e r v e d a n d a n a l y z e d b y s e m a n d l e x t . t h e r e s u l t s o f e x p e r i m e n t s i n d i c a t e t h a t t h e r a t i o n o f h e i g h t t o w i d t h o f f o r m i n g r i b i n c r e a s e s w i t h t h e i n c r e a s i n g o f g r a i n s i z e , b u t t h e i n fl u e n c e o f w i d t h o f t h e c h a n n e l c o r r e l a t e s w i t h g r a i n s i z e . t h e s u r f a c e q u a l i t y o f f o r m i n g r i b b e c o m e s b e t t e r w i t h t h e d e c r e a s i n g o f t h e r a t i o n o f g r a i n s i z e t o w i d t h o f t h e c h a n n e l t h e f r e e s u r f a c e l a y e r m o d e l i s f o u n d e d t o e x p l a i n t h e s i z e e f f e c t i n m i c r o 哈尔滨 厂 业人学下学硕 卜 学位论文 f o r mi n g . t h e s i z e e f f e c t b e c o m e s m o r e s e v e r e w i t h t h e i n c r e a s i n g o f t h e r a t i o n o f s u r f a c e r e g i o n t o i n t e g r a l d e f o r m a t i o n v o l u m e . b e c a u s e t h e f r e e s u r f a c e g r a i n s s h o w l e s s h a r d e n i n g a n d s o ft e n i n g c o m p a r e d t o t h e i n n e r v o l u m e g r a i n s , t h e s e n s i t i v i t y o n t h e s i z e e f f e c t o f fl o w s t r e s s i s d i f f e r e n t u n d e r t h e d i f f e r e n t d e f o r ma t i o n c o n d i t i o n s . k e y w o r d s m i c r o f o r mi n g ; s i z e e f f e c t ; fl o w s t r e s s ; m i c r o s t ruc t u r e ; c o in i n g 1 1 1 哈尔滨工业人学工学0 1 _ 学位论义 第1 章 绪论 1 . 1 引言 随着电子工业及精密机械的飞速发展，产品的微型化己成为不可阻挡 的发展趋势，特别表现在通讯、电子、微系统技术 ( ms t )和微机电系统 ( m e m s ) 等领域 i 。这些产业的兴起对微型零件的加工质量、 成本和批量 等方面提出了新的要求，这些要求的核心是能够低成本大批量制造微型零 件。传统的基于激光、l i g a等微细加工技术已经不能满足微型零件批量制 造的要求，而且加工材料受到一定的限制。而在宏观世界中，塑性成形技 术具有低成本批量制造零件的特点。为此，科学工作者将精密微塑性成形 技术应用到微型零件的制造领域，大大地拓宽了该项技术的应用范围。精 密微塑性成形技术可以采用各种塑性加工方法，如冲裁、拉深、挤压、锻 造、模压和弯曲等，精密成形各种复杂形状的微小零件，零件的尺寸可以 达到5 0 0 n m到5 0 0 u m范围， 特别适于微型零件的制造。由于成形件的强度 高、表面质量好、尺寸精度高，而且工艺简单、生产效率高、成本低，微 塑 性成形技术在微型零 件的 批量 制造方面显示出巨 大的 潜力z 1 微塑性成形方法可以成形多种材料的微型零件，但微塑性成形并不是传 统塑性成形工艺简单的微小化由 微小化带来的 “ 尺寸效应”引起了一系列 新问 题。由于微塑性变形是在微小尺度范围内 ( 微纳米级)发生的，塑性变 形区的大小与一个或几个晶粒的大小相当，材料的晶粒组织和各向异性对塑 性变形行为具有很大的影响，材料的变形流动规律与传统的塑性成形相比发 生了较大的变化。建立在宏观连续介质力学基础上的塑性成形理论和传统的 实验方法已经不能很好地满足微塑性成形技术的研究，尺寸效应成为微塑性 成形技术研究的 基本问 题3 1 。 进行微塑性成形中 尺寸效应的 研究， 对于发展 微塑性成形技术具有重要的理论意义和实用价值。 1 .2微塑性成形技术的 研究进展 由于微成形技术在微型零件的低成本批量生产方面有着巨大的优势和广 泛的应用领域，许多世界工业发达国家，如美国、日本及欧洲各国投入了大 哈尔滨_1 _ 业大学下 学硕 i 学位论文 量资金资助相关研究。美国国会把微电子机械系统作为 2 1世纪重点发展的 学科之一;日本政府和许多知名企业如 o l y m p u s等在微型机械与微成形研 究方面投入大量资金;德国研究技术部将微型机械系统工程列为新开发的重 点项目，德国的 c i r p成员也致力于微成形领域的研究。目 前的研究主要集 中在微成形工艺、成形机理、尺寸效应和理论模型等方面。 1 .2 . 1 微塑性成形技术简介 微型化产品包括微零件 ( m i c r o p a r t ) ,微结构零件 ( m i c r o s t r u c t u r e d c o m p o n e n t s ) 和 微精度零 件 ( m i c r o p r e c i s io n p a r t s ) 三 类。 微零 件可理解为 具有低于毫米级的内部特征形状，而外形只有几毫米的微小零件:微结构零 件的外形在几毫米到几厘米之间，但在其一个或几个面上嵌有微米级甚至纳 米级的微细结构零件;微精度零件一般指高精度零件，其外形及内部特征具 有微米级的几何公差，尺寸精度小于 1 %。微成形技术主要适用于成形微零 件和微结构零件14 1 。作为一种新的塑性加工技术，微成形是指利用材料的塑 性变形来生产至少在两维方向上尺寸处于毫米量级以下零件的技术15 1 。典型 的微成形工艺有微挤压、微冲压、微模锻工艺等。这一技术继承了传统塑性 加工技术的高生产率、最小或零材料损失、最终产品力学性能优异和误差小 的特点，使得这一工艺适合于近净产品或净产品的大批量生产。利用这一技 术生产的微小尺度的零件如连接件、接触弹簧、导线框等大量应用于微电 子、医疗、微机械等行业当中6 1 1 . 2 . 2 微成形工艺与方法 目 前，微塑性成形工艺和方法的研究主要集中在微体积成形和微冲压成 形两个方面。 在微体积成形方面，主要进行微连接器、弹簧、螺钉、顶杆、齿轮、阀 体、泵和叶片等微型零件的精密成形研究。其中螺钉最小尺寸可以达到 m 0 . 8 ，微成形坯料 ( 线材)最小直径为 0 .3 m m，模压成形的微结构件沟槽 最小宽度可以达到2 0 0 n m. y . s a o t o m e 教授领导的研究小组利用自 行研制的 微型模具装置系统地研究了微型齿轮的微成形技术，节圆直径最小可以达到 2 0 0 1x m，并将微成形的模数为0 . 1 m m 、分度圆直径分别为i m m和2 m m,齿 数为 1 0和 2 0个的微型齿轮，用直径为 0 .4 m m 的轴作为齿轮轴，组装成减 速比为1 / 1 2 8 的微型减速装置， 如图1 - 1 所示1 7 1 竺! ：堡；! ；些叁兰三兰丝! ：耋竺丝兰 量资金资助相关研究。美国国会把微电子机械系统作为2 1 世纪重点发展的 学科之一；f 1 本政府和许多知名企业如o l y m p u s 等在微型机械与微成形研 究方面投入大量资余：德国研究技术部将微型机械系统工程列为新丌发的重 点项目，德国的c i r p 成员也致力于微成形领域的研究。目前的研究主要集 中在微成形工艺、成形机理、尺寸效应和理论模型等方面。 1 2 1 微塑性成形技术简介 微型化产品包括微零件( m i c r o p a r t ) 、微结构零件( m i c r o s t r u c t u r e d c o m p o n e n t s ) 和微精度零件( m i c r o p r e c i s i o np a r t s ) 三类。微零件可理解为 具有低于毫米级的内部特征形状，而外形只有几毫米的微小零件：微结构零 件的外形在几毫米到几厘米之间，但在其一个或几个面上嵌有微米级甚至纳 米级的微细结构零件；微精度零件一般指高精度零件，其外形及内部特征具 有微米级的几何公差，尺寸精度小于1 。微成形技术主要适用于成形微零 件和微结构零件 4 】。作为一种新的塑性加工技术，微成形是指利用材料的塑 性变形来生产至少在两维方向上尺寸处于毫米量级以下零件的技术【5 j 。典型 的微成形工艺有微挤压、微冲压、微模锻工艺等。这一技术继承了传统塑性 加工技术的高生产率、最小或零材料损失、最终产品力学性能优异和误差小 的特点，使得这一工艺适合于近净产品或净产品的大批量生产。利用这一技 术生产的微小尺度的零件如连接件、接触弹簧、导线框等大量应用于微电 子、医疗、微机械等行业当中 6 1 。 1 2 2 微成形工艺与方法 目前，微塑性成形工艺和方法的研究主要集中在微体积成形和微冲压成 形两个方面。 在微体积成形方面，主要进行微连接器、弹簧、螺钉、顶杆、齿轮、阀 体、泵和叶片等微型零件的精密成形研究。其中螺钉最小尺寸可以达到 m o 8 ，微成形坯料( 线材) 最小直径为o 3 m m ，模压成形的微结构件沟槽 最小宽度可以达到2 0 0 n m 。y s a o t o m e 教授领导的研究小组利用自行研制的 微型模具装置系统地研究了微型齿轮的微成形技术，节圆直径最小可以达到 2 0 0 肛m ，并将微成形的模数为0 1 m m 、分度圆直径分别为l m m 和2 m m 、齿 数为1 0 和2 0 个的微型齿轮，用直径为o 4 r a m 的轴作为齿轮轴，组装成减 速比为1 门2 8 的微型减速装置，如图l 一1 所示【7 1 。 哈尔滨t 业人学丁学颂l 学位论史 图1 1 微型减速装置 7 l f i g 1 - 1m i c r or e d u c t i o ng e a rb o x 美国c o l o r a d o 大学的d u n n 教授等人利用微锻造和微铸造组合技术完成 了齿轮、叶片等微型零件的成形和组装博i 。 同本学者k y o s h i d a 对手表上微型零件的多工位成形工艺进行了有限元 分析和实验研究，并将常规的锻造工艺由三步改为四步，采用锥形冲头增加 心部余属的变形速率，大大地提高了制件的成形质量1 9 】。 m g e i g e r 教授对微型零件的冷锻工艺进 亍了研究，重点研究了微小化 对挤压件精度的影响，研究结果表明微型挤压件的晶粒尺寸不仅影响挤压件 的形状和尺寸精度，而且对挤压件的机械性能也有重要的影响。此外，各国 学者还利用轧制、精压和局部锻造等体积成形方法成形各种微型器件 1 1 0 】2 1 。 在微冲压成形方面，主要进行薄板微拉深、冲裁、增量成形和弯曲等微 冲压方法的研究。y s a o t o m e 教授对薄板微拉深工艺进行了研究，将相对冲 头直径( 冲头直径与板厚比) 作为重要的工艺参数，采用厚度为o 0 5 、 o 1 、o 2 和1 0 m m 低碳钢板进行微拉深成形，并将试验结果与厚板拉深成 形进行比较，结果表明极薄板的拉深成形规律类似于厚板的拉深成形i l 。 同本的t a n a k a 等人用增量法对微壳体零件的成形进行了实验研究，使 用板厚为1 0 到1 0 0 l t m 的材料。结果表明冲头的进给量、冲头顶端的直径以 及板厚是影响成形的主要因素【i 4 】。vs a o t o m e 领导的研究小组也进行了类似 的研究，用厚度为0 2 p , m 的箔材料，在不使用模具的条件下成功成形出长 为6 0 0 “m 的汽车壳体件，图1 2 为其成形件，尺寸大小与蚂蚁相当【”】。 哈尔滨工业大学：亡学颂一l 学位论文 幽1 - 2 微型壳体什 f i g 1 - 2m i c r os h e l l b o d y 超精密冲孔工艺研究以e t 本的k u r i m o t o 等人为代表。实验采用直径为 1 4 9 m 的s i c 纤维，采用研磨、电解等方法制作微冲头，成形材料是厚度为 1 0 0 k t m 的铝、铍铜合金以及不锈钢板材，在自行丌发的精密装置上进行了 冲孔实验。使用铝和铍铜合金板时可以冲孔约1 0 0 0 次，使用不锈钢材料时 只能冲孔几百次。超过这些数值之后，模具孔( 凹模) 直径扩大约7 l - t m ， 冲头上出现材料的粘连，导致冲孔的成形精度降低，且在孔的背面出现了毛 刺和裂纹。为得到更好的成形质量对试验装置进行改进。首先在冲头的制作 上进行了改进，保证冲头的垂直度。其次在凹模上开附加孔，使用真空系统 把板料紧密的贴在凹模上。采用这些改进后增加了冲孔次数，提高了微孔的 边缘质量【16 1 。 1 2 3 尺寸效应 到目前为止，对微成形中的尺寸效应还没有一个明确完整的定义，这种 状态也反映了人们对该问题的认识程度。概括地讲，尺寸效应就是指：在微 成形过程中，由于制品整体或局部尺寸的微小化引起的成形机理及材料变形 规律表现出不同于传统成形过程的现象。究其原因，目前的理解是，与宏观 成形相比，微成形制品的几何尺寸和相关的工艺参数可以按比例缩小，但仍 然有一些参数是保持不变的，如材料微观晶粒度及表面粗糙度等。所以不能 将微成形过程简单理解为宏观成形过程的等比微型化，而且在具体的微成形 过程中材料的成形性能、变形规律以及摩擦等确实表现出特殊的变化【”1 。 在微小件塑性成形过程中，由于存在尺寸效应，材料的力学行为会发生很大 堕丝篓! ；些叁兰! ；兰丝! 兰竺塞兰 的变化，表面积与体积之比的增大，将导致摩擦系数的显著提高，从而影响 成形力的大小以及材料的流动。此时，许多传统成形工艺普遍采用的原则已 不再适用，国外很多学者己做了大量研究。 123 1 不同成形工艺中的尺寸效应德国的m ，g e i g e r 教授等人利用拉伸 和镦粗实验系统地研究了尺寸效应及其对材料应力一应变关系的影响规律， 实验材料分别选用铝、紫铜和黄铜等，实验结果表明随着试件尺寸的减小， 材料流动应力和延展性等参数有所降低，各向异性增强。随着缩减因子九 ( 试件、模具和工艺参数均按此因子缩小) 减小到0 1 ，材料的流动应力降 低2 0 。采用表面层模型对这一实验结果进行分析，他们认为当试样尺、， 减小而其微观结构保持不变时，试样表面上的晶粒数目与试样内部的晶粒数 目之比随之增加，由于试样表面上的晶粒所受的约束比试样内部的晶粒小， 并且位错无法在试样表面塞积，使材料的加工硬化能力降低从而导致材料的 流动应力降低1 2 ，”1 ，见图1 3 。 图1 3 表露晶粒分布”“ f i g 1 - 3s h a r eo fs u r f a c eg r a i n s r e c k s t e i n 和u e n g e l 等德国学者还研究了薄板( 板厚为o 5 m m 至 0 1 m m ) 微弯曲过程中的尺寸效应问题。微弯曲时的尺寸效应主要与弯曲件 的板厚和晶粒大小有关。一当弯曲件的厚度与晶粒大小相比较大( 板厚大于3 至5 个以上晶粒尺寸) 时，弯曲时会产生与拉伸和压缩工艺相类似的尺寸效 应，弯曲力随着弯曲件尺寸( 板厚) 的减小而减小，这种现象也是试件表面 晶粒数目所占的比例增加造成的。当弯曲件的厚度与晶粒大小相近，试件表 面仅有几个晶粒时，弯曲力随着弯曲件尺寸的城小面略有增大。 n 尔滨t 业人学_ f = 学埘1 一学位论文 荷兰r a u l e a 等人设计了单轴拉 申实验和弯曲实验来研究晶粒尺寸以及 板厚与晶粒尺寸之比对微成形的影响。研究结果表明，当晶粒尺寸小于板厚 时，随着板厚方向的晶粒数量减少，屈服强度和抗拉强度减小；而当晶粒尺 寸大于板料厚度时，屈服强度随着晶粒尺寸的增加而增加。厚度方向为多晶 时，随着板厚的增大屈服强度增加的现象可以用晶粒细化强化理论柬解释 。 随着微成形件尺寸的不断减小，单个晶粒对坯料的机械性能和变形行为 具有很大的影响。由于晶粒机械性能的各向异性和晶粒取向的不同，导致材 料成形性能的各向异性非常明显，微成形时坯料变形不均匀，成形再现性 差。m g e i g e r 教授领导的研究小组采用杯卡t 复合挤压实验，系统地研究由 晶粒大小带来的尺寸效应问题。图1 4 和图1 5 分别为细晶坯料和粗晶坯料 成形的照片。晶粒粗大挤压件的边缘参差不齐，呈现出较大的各向异性。由 于晶粒尺寸影响了材料变形的均匀性，这势必导致成形件机械性能的不均匀 性，成形件的硬度分布规律证明了这一点。因为材料变形时会产生加工硬 化，挤压成形件上的硬度分布是和应变的分布相对应的。这样测出成形件表 面的硬度分布就可以推算出应变的分布。当采用细晶坯料作正向挤压成形实 验时，应变有规律分布：杆的外表面有硬度最大值，这是因为模具肩部有很 大的变形；在秆的头部没有变形因而也就没有应变，沿中心线应变值随挤压 比的增大丽增大。但使用粗晶坯料作成形实验时，硬度分布没有明显的规 律，原因是单个晶粒在主导材料的流动性。对金属的微观组织分析可以证明 这一结论刚。 图1 - 4 细晶坯料成形杯 图1 - 5 粗晶坯料成形杯川 f i g 】- 4b a c k w a r dc u pe x t r u s i o nw i t h f i g i 一5b a c k w a r dc u pe x t r u s i o n f i n eg r a i n e dm a t e r i a l w i t hc o ”s eg r a i n e dm a t e r i a l 另外，f l e c k 等利用微米量级的不同直径的细铜丝进行了拉伸及扭转鼗 堕垒堡三些叁耋：耋丝! 兰竺丝兰 验，在拉伸实验中材料没有出现明显的尺寸效应，但在扭转实验中，当细铜 丝的直径从17 0 p m 减小到1 2 p m 时，无量纲化的扭转增加至3 倍“。 s t o l k e n 和e v a n s 利用镍薄梁进行弯曲实验，观察到当梁的厚度从5 0 i ，t m 减 小到1 2 p _ m 时，无量纲化的弯曲强度也显著增加【2 ”。l l o y d 等人对不同的增 强令属基复合材料进行了研究，发现当颗粒的体积分数不变时，随着颗粒尺 寸的减小，复合材料的强度显著增加1 2 4 。更能说明材料在微米尺度下具有 尺度效应的一类实验是微米及亚微米压痕实验。压入深度小于5 0 l u m 的微米 或亚微米压痕实验中，压痕硬度表现出非常强烈的尺寸效应。对于金属材 料，所测的材料硬度值随着压入深度的减小可达到传统硬度值的2 倍甚至3 倍左右 2 5 】。e l s s n e r 等测量了单晶锟与蓝宝石单晶间界面的宏观断裂韧性与 源子分离功，实验发现这两种材料的裂尖仍然保持有原子的尖锐性，即裂纹 尖端不钝化，显然铌是韧性材料并具有众多位错。此时促使晶格或强界面原 子分离所需要的应力水平典型值为屈服应力的1 0 倍，但按照基于经典塑性 理论的模型，裂纹尖端附近所能达到的最大应力水平不超过屈服应力的4 5 倍，这显然不足以造成实验中所观察到的裂纹起裂1 2 6 j 。d i n g 等通过制备不 同长度和厚度的硅悬臂梁，并测试其力学性能，得到了材料弹性模量等力学 性能参数随尺寸的变化规律1 2 ”。 1 2 3 2 摩擦尺寸效应摩擦对微塑性成形工艺的影响远大于在传统塑性 成形中的影响，而且影响规律也发生了变化。m g e i g e r 教授等人采用双杯 挤压实验对微塑性成形中的摩擦行为进行了研究，如图1 - 6 所示。结果表 明，当采用液体润滑剂时，随着工件尺寸的减小，材料与模具表面的摩擦系 数增大；而采用固体润滑剂时，摩擦系数变化不明显2 引。 阁1 - 6 舣杯挤压实验示意图 2 8 】 f i g 1 - 6s c h e m a t i cd i a g r a mo fd c e 喻尔滨下业人学1 ：学岫i j 学位论文 为了解释以上规律，u e n g e l 等提出了丌式和闭式凹坑摩擦模型，如图 1 7 所示。丌式凹坑的区域位于工件的边缘无法存储润滑剂，使得模具与1 ： 件摩擦系数增大；闭式凹坑由于存储了一定量的涧滑剂使得模具与工件摩擦 系数减小。图1 8 为不同尺寸试件中的两种凹坑区域面积比例关系。随着试 件尺寸的减小，闭式凹坑区域的面积与试件表面积之l t 减d , ，导致摩擦系数 的增大。而采用固体润滑剂时由于不存在润滑剂溢出问题，对摩擦系数的影 响不明显f 2 引。 剀1 7 开式平闭式凹坑”图1 8 开式和闭式凹坑区域比例关系” f i g 1 - 7o p e na n dc l o s e dl u b r i c a n tp o c k e t sf i gi 一8r a t i oo f o p e nt oc l o s e dl u b r i c a n tp o c k e t s m g e i g e r 领导的研究小组还采用杯杆复合挤压的方法，研究了尺寸对 杯杆件的杯高和杆长的影响。研究表明，杯高与杆长的比值随尺寸的减小而 升高，原因与双杯挤压实验相似，摩擦的增加促使材料向冲头移动的反方向 流动，这导致了杯高随尺寸的减小而相对增大【30 。图1 9 是杯杆件的实物 图，图1 1 0 是尺寸对杯杆件杯高和杆长的影响。 幽1 - 9 杯杆件实物图1 2 9 f i g1 - 9p h o t o g r a p ho fe x t r u s i o np a r t 幽1 1 0 尺寸对杯杆件形状的影响【3 0 】 f i g ，1 - 1 0e f f e c to f s p e c i m e ns i z eo ns h a p eo f e x t r u s i o np a r t 哈尔滨工业人学工学硕 卜 学位论义 在塑性微成形中，由于容易出现变形区域的异向性，理想情况是使坯料 与模具接触面上的润滑剂为单分子层膜。但在热成形中需采用固体润滑剂， 要获得薄且厚度均匀的润滑剂层是比较困难的。 1 . 2 . 3 . 3 模具尺寸引起的尺寸效应 目前对微塑性成形中模具尺寸引起的 尺寸效应的研究主要是采用模压的方法对材料填充性能进行研究。德国的r . n e u g e b a u e r等人采用不同的模具和成形坯料进行模压实验。当模具采用线 切割方法加工时，加工表面是多孔性的，并且边缘质量较差。当使用精细晶 粒的锌铝合金进行模压实验时，在较低的成形力和温度条件下有很好的塑 性，模具表面的多孔结构都可以成形，成形件表面质量较差。这说明成形件 的表面质量取决于模具的表面质量。采用光滑的硅模具时，可以获得很好的 成形件表面质量。采用冷成形可以很好的成形较小的工件，只需要比屈服强 度大的成形力。在预加 2 5 %到 5 0 %的载荷，同时采取措施减小表面滑动， 可以 得到更 好的 成形 质 量 口 。 日本的 h . i k e等人采用模压的方法对微成形中的填充规律进行了研 究。实验结果表明，只有当成形应力比材料的屈服强度大许多时，约为屈服 强度的3 倍，材料才开始对微孔进行填充。大直径的孔出现填充的应力要比 小直径孔的应力大，原因是填充大直径的孔需要较多的金属。当成形应力达 到一定值时，材料发生整体塑性变形，金属会呈放射状向边缘流动，这使得 靠近边缘的孔填充更充分。但这种呈放射状的塑性流动容易使微突起在根部 产生裂纹。在使用润滑剂的情况下，更容易产生裂纹3 2 - 3 4 1 1 .2 . 4 微塑性成形理论 在 微塑 性成形理论方 面， j . l e o p o l d采 用了 一 种变 形随 机理论， 他将变 形体的模型分为3 个尺度层次。最下层的是微元，在多晶体的场合，微元表 示单个晶粒。他采用一种离散模型，将模型中的微观场量作为随机变量或这 些原始随机变量的随机函数，并考虑了各微元之间的相互作用。第二层是由 一些按统计规律组合起来的微元构成的细观域，在离散系统中引入广义面力 描述微域之间的相互作用，以取代在这种场合不再适用的连续介质力学中的 柯西应力原理。与连续介质力学中的本构方程相对应，对细观域要建立材料 函数或材料算子。最上层才是由 许多细观域和微元组成的宏观材料。利用控 制方程求得整个对象的宏观响应。 j . l e o p o l d推荐采用刚塑性有限元法和微 视塑性法相结合的方法研究微塑性成形过程，微视塑性法是研究微成形过程 哈尔滨下业人学工学0 _ 学位论文 的一种有效实验方法。由于在微成形加工中，变形区极小，接近晶粒尺寸。 在微视塑性法中，分格尺寸小于晶粒尺寸，这种方法与微有限元法结合起来 的混合方法 ( h mv f )可有效地计算稳态和非稳态的金属成形，包括能量消 耗、 表面的形 成、 工艺力、 流动应力 及温度等3 5 1 近年来对尺寸效应的研究，促进了应变梯度塑性理论的发展和应用。应 变梯度塑性理论是建立在连续介质力学的框架中并能考虑尺寸效应的本构关 系理论，是连接经典塑性力学理论与原子模拟之间的必要桥梁。由于在经典 塑性力学的本构模型中不包含尺度因子，所以它不能预测材料的尺寸效应， 而在应变梯度塑性理论中则引入了材料特征尺寸，从而可以从现象学的角度 来刻画出尺寸效应的影响3 6 1 。 近年来己 发展起来多种应变梯度塑性理论， 较为典型的有 c s ( c o u p le s t r e s s ) 应变梯度塑性理论、s g ( s t r e t c h a n d r o t a t i o n g r a d i e n t s )应变梯度塑性理论和 m s g ( m e c h a n i s m b a s e d s t r a i n g r a d i e n t ) 应变塑 性理 论3 7 1 位错理论表明，材料的塑性硬化来源于几何必须位错和统计储存位错， 据此 f l e c k 等发展了c s应变梯度塑性理论，它是经典的j 2形变或j 2流动 理论的 推广。 在该理论中，为了 考虑旋转梯度的影响， 引入了 偶应力 3 8 ,3 9 1 f l e c k等应用这种理论成功地预测了细铜丝的扭转、薄梁弯曲和颗粒增强金 属基复合材料的尺度效应。但在无旋转及旋转梯度变为低阶时，这一模型不 再适用，因此 f l e c k等提出了另一套理论一s g应变梯度塑性理论，在这个 理论中，除了考虑旋转梯度外还考虑了拉伸梯度。应用该理论可以精确地体 现裂纹 尖端场的 应变梯度效应 4 0 1 。 虽然f l e c k 等 把位错 理论作为 他 们提出 应 变塑性理论的动机，但实际上只是将高阶等效应力与等效应变取代经典塑性 本构关系的等效应力和应变，仍然是在宏观可以 测量的单轴应力应变关系的 基础上建立的，也就是说没有真正考虑材料的微观结构。g a o等提出了一种 多尺度、分层次的理论框架一ms g应变塑性理论，来实现塑性理论和位错 理论的结合，在微观尺度胞元的水平上建立塑性理论，高阶应力作为应变梯 度的 热力学 共扼量出 现， 故 保证 此理 论 满 足 连续介 质的 热力 学限 制 4 1 1 事实上，早在2 0 世纪8 0 年代， 变形体固体力学中就已 经出 现了 类似的 分层次学术方向，并于近年来形成一门新兴力学分枝一结构非均一介质的物 理介观力学。以俄罗斯潘宁b . e为代表，在最近 1 0 年间得到了令人信服的 实验和理论论证。物理介观力学认为，在不同尺度层次上对塑性变形的描述 是有原则区别的。塑性变形的最基本行为不是剪切滑移，而是平移一 扭转的 涡流，其中三维结构单元的平移与扭转的运动模式互相有机地联系着;塑性 哈尔渍t 业人学t 学坝i + 学位论文 变形的扭转模式将介观的结构层次谱系引导至自协调的运动状态，并使得其 中出现新的耗散结构，把负荷作用下的固体作为个多层次的自组织系统， 其中微观、介观、宏观层次是互相有机联系的 4 2 1 。正确理解微成形的变形 机理需要将固体材料的内部结构和所有尺度水平上结构单元的非常复杂的相 互作用因素考虑在内，普通的材料科学不足以解决这些难题，建立在固体变 形结构水平概念上的物理介观力学的突破将有望系统性地解决微成形的力学 模型问题。 1 2 5 国内微塑性成形技术的研究进展 我园在金属微成形技术方面的研究目前还处于起步阶段，主要是结合 m e m s 技术进行研究，但已日益受到重视。国家自然科学基金委员会已将 微型化制造列入重点资助领域。近几年这一领域的研究进展较快，目前已有 不少单位在这一领域开展了研究。 哈尔滨工业大学的张凯锋教授采用模压的方法对超塑性材料锌合金和铝 合金进行了微成形规律研究。实验结果认为压应力和金属的流动量是影响成 形性能的主要因素，从试样的横截面的分析可知，变形仅集中在余属的表 层，与模具边缘接触部位和远离型腔的材料几乎没有发生变形，是刚性区 【4 。上海交通大学的阮雪榆教授等通过铜的微镦粗实验，对材料流动应力 尺寸效应进行了研究。实验结果表明在微小尺度下，材料的流动呈现各向异 性，并且随着变形的增大各向异性尤为显著。随着试样尺寸的减小，材料的 屈服应力减小，流动应力表现出明显的分散性，流动应力等受变形速度的影 响很小f 4 。上海交通大学的董湘怀教授等对薄板在单向拉伸和自由弯曲过 程中所发生的尺寸效应进行了研究，应用表面层的概念建立了分析模型，解 释了单向拉伸和自由弯曲过程中屈服应力和弯曲力减小的原因，并通过实验 进行了验证【4 5 】。 本课题组的郭斌教授，单德彬教授等对微型器件精密微塑性成形技术进 行了研究，建立了材料微塑性成形性的评价方法，设计并制造了如图1 1 1 所示的一套集计算机、微压力传感器、微位移传感器和热电偶等各种测量和 控制技术一体化的精密微塑性成形系统。并利用该成形系统进行了微型齿轮 的成形工艺研究，成形出了如图1 - 1 2 所示的质量较好的微型零件，建立了 微型齿轮成形质量的评价方法 4 6 a 7 】。 哈尔滨丁业大学r 学坝，f 。学位论文 图1 - 11 微成形系统实物图h 7 1 f i g 1 - 11p h o t o g r a p ho f m i c r o - f o r m i n ga p p a r a t u s 1 3 选题的意义 幽1 1 2 微型齿轮的s e m 照片1 4 7 】 f 唔1 - 1 2s e mp h o t o g r a p ho f m i c r o - g e a r 本课题来源于国家自然科学基金资助项目。 随着微电子集成技术和微机电技术的迅速发展，以形状尺寸微小或操作 尺寸极小为特点的微细加工技术己经成为人们认识微观领域和改造客观世界 的一种高新技术h 8 1 。微塑性成形技术作为一种微细加工技术，具有低成 本、批量化和成形件强度高等优点，具有广泛的应用前景。然而，由于成形 哈尔滨工业大学_ _ 学破 i : 学位论文 件尺寸极其微小，“ 尺寸效应”扮演着十分重要的角色，并成为塑性微成形 研究的基本问题。基于经典的连续介质的传统塑性力学理论无法解释塑性微 成形五 件的尺寸效应，而另一方面，与分子的大小相比较，微成形工件的尺 寸还是过于庞大，也无法将基于离散介质的分子动力学理论应用到塑性微成 形工艺中。因此，进行微塑性成形中尺寸效应的研究，对于发展微塑性成形 技术具有重要的理论意义和实用价值 5 ,4 9 1 .4本文研究的主 要内 容 本文采用微徽粗压缩实验和模压实验来研究微塑性成形中的尺寸效应规 律，主要的研究内容如下: ( 1 ) 利用本课题组研制的精密微塑性成形系统，采用微徽粗实验方法 研究试件尺寸、材料的晶粒尺寸、应变速率、变形程度和变形温度等参数对 材料流动应力尺寸效应的影响规律; c 2 )设计和制造微型直槽模具，采用微模压实验方法研究材料晶粒尺 寸、