摘 要:隨著微成形技術(shù)的快速發(fā)展,微型零件在各行業(yè)得到廣泛的應(yīng)用,需求也大大增加。在微成形過程中,由于材料的晶粒尺寸越來越趨近零件的幾何尺寸等,導(dǎo)致材料的力學(xué)性能與宏觀大尺寸零件相比,呈現(xiàn)出不同的尺寸效應(yīng)現(xiàn)象。針對(duì)四種厚度304不銹鋼薄板進(jìn)行了單向拉伸試驗(yàn),測(cè)得板料的屈服應(yīng)力隨板料的減薄而增大,表現(xiàn)出“越薄越強(qiáng)”的尺寸效應(yīng)現(xiàn)象,而材料延伸率隨板料的減薄而減小,表現(xiàn)出“越薄越脆”的尺寸效應(yīng)現(xiàn)象。
關(guān)鍵詞:304不銹鋼;尺寸效應(yīng);單向拉伸
隨著現(xiàn)代工業(yè)的飛速發(fā)展,產(chǎn)品的微型化已成為工業(yè)界不可阻擋的趨勢(shì)。新的挑戰(zhàn)應(yīng)運(yùn)而生,微機(jī)電系統(tǒng)的加工質(zhì)量、加工方式、加工批量等面臨著新的考驗(yàn)。相對(duì)于宏觀大尺寸零件,微型零件在一個(gè)或多個(gè)尺寸處于毫米或以下級(jí)別時(shí),其力學(xué)性能表現(xiàn)出一定的尺寸效應(yīng),隨著尺寸的減小,這種尺寸效應(yīng)也更加明顯。
國內(nèi)外學(xué)者在微塑性成形技術(shù)方面的研究越來越多。德國的Engel等學(xué)者[1]通過對(duì)零件進(jìn)行單向拉伸試驗(yàn)和翻邊試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)隨著尺寸的減小,一些幾何相似材料的流動(dòng)應(yīng)力也相應(yīng)減??;而Giger等人[2]也進(jìn)行了單向拉伸試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)了關(guān)于材料的應(yīng)力-應(yīng)變變化的相關(guān)規(guī)律,即材料的延伸率、抗拉強(qiáng)度等相關(guān)塑性性能都隨試樣尺寸的減小而減小,但具體影響因素還有待探究。哈爾濱工業(yè)大學(xué)的郭斌、單德彬等教授[3]對(duì)塑性微成形變形規(guī)律進(jìn)行了研究,對(duì)薄板成形中尺寸效應(yīng)產(chǎn)生的機(jī)理進(jìn)行了理論分析;上海交通大學(xué)董湘懷教授等[4]開展了塑性微成形技術(shù)和理論研究,對(duì)CuZn37黃銅板料微塑性成形中的尺寸效應(yīng)進(jìn)行了研究。
文章通過單向拉伸試驗(yàn),對(duì)304不銹鋼在試驗(yàn)中表現(xiàn)出的尺寸效應(yīng)進(jìn)行了理論分析。
1 單向拉伸試驗(yàn)
1.1 試驗(yàn)過程
首先將304不銹鋼薄板材料通過線切割切割成試驗(yàn)所需的試樣,試樣厚度分別為200μm,100μm,50μm,20μm,以氨氣為保護(hù)氣體,加熱到1000℃,采用退火處理方式得到均勻的晶粒組織。本實(shí)驗(yàn)采用KEYENCE VH-600晶粒度測(cè)量方法測(cè)量晶粒尺寸,測(cè)量較薄試樣時(shí),考慮到厚度方向上晶粒數(shù)目少,因此選取試樣長(zhǎng)度方向的晶粒測(cè)量數(shù)目。通過金相試驗(yàn)觀察晶粒狀態(tài),試樣晶粒尺寸見表1。由表1可得,試樣晶粒大小隨厚度的增加,無明顯變化。
在CMT4000系列電子萬能試驗(yàn)機(jī)上對(duì)不同厚度的試樣進(jìn)行單向拉伸試驗(yàn),試驗(yàn)時(shí)選取合適的夾頭固定試樣,試樣厚度20、50、100、200μm對(duì)應(yīng)的拉伸速度分別為400、1000、2000、4000μm/min。在試驗(yàn)過程中,同種厚度試樣的拉伸試驗(yàn)不少于3次,對(duì)3次試驗(yàn)數(shù)據(jù)取平均值。
1.2 應(yīng)力-應(yīng)變曲線分析
三次重復(fù)的單向拉伸試驗(yàn)獲得的數(shù)據(jù)構(gòu)成的曲線是位移-力曲線,經(jīng)過數(shù)據(jù)處理獲得各種厚度試樣的真實(shí)應(yīng)力-真實(shí)應(yīng)變曲線,如圖1所示。
圖1 各厚度試樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線
由應(yīng)力-應(yīng)變曲線,得到試樣的屈服應(yīng)力,各厚度對(duì)應(yīng)的屈服應(yīng)力見表2。
表2 試樣屈服應(yīng)力
由圖1和表1可得,試樣的初始屈服應(yīng)力試驗(yàn)值隨著厚度的減小,呈現(xiàn)出增加的趨勢(shì),表現(xiàn)出“越薄越強(qiáng)”的尺寸效應(yīng)現(xiàn)像。
1.3 材料延伸率分析
延伸率是指材料在拉伸試驗(yàn)時(shí)斷裂瞬間的最大應(yīng)變量,材料的延伸率越大,塑性成形性能就越好[5],因此延伸率是表征材料塑性性能的重要指標(biāo)。
延伸率δ=■×100%
式中:△L-拉伸后試樣的變形長(zhǎng)度(μm);L-試樣原長(zhǎng)度(μm)
根據(jù)公式計(jì)算并處理試驗(yàn)數(shù)據(jù),可獲得材料延伸率和厚度關(guān)系曲線圖,如圖2所示。
由觀察圖2可得,材料延伸率隨試樣的變薄呈降低趨勢(shì),且試樣越薄這種趨勢(shì)越明顯,在試樣厚度超過50μm后增加速度趨于平緩,但仍比較顯著,呈現(xiàn)出延伸率“越薄越弱”的尺寸效應(yīng)現(xiàn)像。
2 結(jié)束語
文章通過對(duì)304不銹鋼薄板進(jìn)行單向拉伸試驗(yàn),主要研究了屈服應(yīng)力、延伸率這兩項(xiàng)指標(biāo),主要結(jié)果有:隨著試樣厚度的減薄,表層晶粒數(shù)目的減少加強(qiáng)了鈍化膜的效果,使屈服應(yīng)力增強(qiáng);塑性成形方面,材料的延伸率隨著試樣變薄而減小,表現(xiàn)出“越薄越弱”的尺寸效應(yīng)現(xiàn)像。
參考文獻(xiàn)
[1]Engel U, Eckstein R. Microforming-from basic research to its realization[J].Journal of Materials Processing Technology,2002,125(2):35-44.
[2]M. Geiger,R.Eckstein. Microforming advanced technology of plasticity[C]. Proceedings of the 7th ICTP, Yokohama, Japan,2002,6:327-338.
[3]周健,郭斌,單德彬.銅箔抗拉強(qiáng)度及延伸率的尺寸效應(yīng)研究[J].材料科學(xué)與工藝,2010,4:445-449.
[4]李河宗,董湘懷,申昱.CuZn37黃銅板料微塑性成形中的尺寸效應(yīng)研究[J].材料科學(xué)與工藝,2011(8):15-19.
[5]趙迎紅,雷麗萍,曾攀.微塑性成形技術(shù)及其力學(xué)行為特征[J].塑性工程學(xué)報(bào),2005,6:1-6.