304不銹鋼薄板微成形行為實(shí)驗(yàn)研究

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(guò)程中，由于材料的晶粒尺寸越來(lái)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(guó)內(nèi)外學(xué)者在微塑性成形技術(shù)方面的研究越來(lái)越多。德國(guó)的Engel等學(xué)者[1]通過(guò)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(kāi)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(guò)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(guò)程

首先將304不銹鋼薄板材料通過(guò)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(guò)金相試驗(yàn)觀察晶粒狀態(tài)，試樣晶粒尺寸見(jiàn)表1。由表1可得，試樣晶粒大小隨厚度的增加，無(wú)明顯變化。

在CMT4000系列電子萬(wàn)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(guò)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(guò)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(jiàn)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(guò)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(yǔ)

文章通過(guò)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.