微小尺度流动应力波动尺度效应

　　随着科技的不断发展,微型零件的需求量也在不断增大[1].微成形技术是指利用材料的塑性变形生产至少在二维方向上尺寸处于mm量级以下的零件[2].但是,微小尺度下出现流动应力波动幅度随坯料尺寸减小而增大的流动应力波动尺度效应[3,4],导致传统成形工艺和理论的失效.目前,已有一些流动应力波动尺度效应现象的研究[5~8],如Engel等[5]和Geiger等[6]认为,随着坯料尺寸减小,变形区内晶粒个数减少,各个晶粒的尺寸、形状、取向、位置等的随机变化对坯料整体流动应力影响增大,使坯料流动应力呈现出较大随机波动.但到目前为止,流动应力波动尺度效应现象的研究还局限于定性解释.为了深入系统地研究这一尺度效应现象,以实现对其定量描述和进一步预测与控制,本文在常温下对不同晶粒尺寸微型铜圆柱体进行镦粗实验,找出流动应力波动幅度与晶粒尺寸、应变量间的关系,并在此基础上对流动应力波动幅度与坯料尺寸间的关系进行了预测.

　　1　微小尺度镦粗实验

　　本实验材料选择电子行业广泛使用的典型面心立方金属铜.由于坯料尺寸非常微小且具有细微结构以及表面对划痕、毛刺等缺陷的敏感性增强,传统的坯料加工工艺已不再适用,故必须采用高精度特殊加工手段来制造.实验采用?.97 mm铜丝经线切割后抛光制成高径比为1的微型圆柱体坯料,如图1所示.

　　为了研究晶粒尺寸对流动应力波动幅度的影响,将坯料分成3组,分别在惰性气体保护环境下用不同热处理工艺处理,得到平均晶粒直径分别为10、45、65μm的等轴晶.

　　由于坯料尺寸微小及表面高光洁度,与坯料尺寸相比较,宏观下的磨损和污染粒子与坯料尺寸量级相差不大,传统固体润滑剂颗粒已经不再适用,故实验中采用液体润滑剂.为了尽可能消除摩擦力对实验的影响,将上下压头表面经抛光处理,达到镜面光洁度.实验设备采用位移精度为1μm、载荷精度为0.5%的Zwick/Roell Z020万能试验机,如图2所示.实验采用50μm/min的压下速度在室温下对3组(每组4个)具有不同晶粒尺寸的坯料进行镦粗,以固定时间频率测量不同压下量时的压下力

　　2　实验结果与讨论

　　为讨论流动应力波动幅度与坯料尺寸、晶粒尺寸等关系,本文用流动应力的标准差来表征流动应力的波动幅度,其表达式为

　　式中:σi为每次实验所得的流动应力;σ为多次实验所得的平均流动应力;N为实验次数.

　　对实验所得压力与行程数据进行处理,得到不同平均晶粒直径d条件下的流动应力—对数应变曲线,如图3所示.

　　由图3可见,微小尺度下流动应力呈现出较大的波动性.这可以用晶体塑性理论和数理统计理论来解释[9~12].由晶体塑性理论可知,金属多晶体是由大量单晶体(晶粒)通过晶界结合在一起的集合体.由于各晶粒的取向、尺寸、形状、位置等互不相同且呈随机分布,因而各个晶粒的流动应力也存在着一定的差别.从数理统计理论角度来考虑,坯料内单个晶粒的σi可以看作是符合独立同分布规律的随机变量,具有相同的期望、方差和标准差,分别设为: