超聲輔助純鈦拉伸試驗(yàn)研究

（上海交通大學(xué) 塑性成形技術(shù)與裝備研究院，上海 200240）

隨著產(chǎn)品微型化及相關(guān)研究的發(fā)展，微制造技術(shù)特別是微塑性成形技術(shù)日益成為微細(xì)加工領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)[1—5]，利用超聲振動(dòng)、激光等輔助微成形的工藝逐漸成為了研究熱點(diǎn)[6—11]。傳統(tǒng)超聲振動(dòng)輔助塑性成形工藝具有成形載荷低、成形件表面質(zhì)量好等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)考慮到微成形件尺寸小、成形能量低等特點(diǎn)，在微成形工藝中引入超聲振動(dòng)輔助成形相對(duì)易于實(shí)現(xiàn)，因而超聲輔助微成形逐漸成為微成形領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。Bai Y. 等開展了超聲振動(dòng)輔助金屬薄板壓縮試驗(yàn)，研究了超聲振動(dòng)對(duì)成形件表面質(zhì)量的影響，結(jié)果表明，成形件表面粗糙度的降低與超聲振幅近似呈線性關(guān)系[12]。Yao Z. H. 等研究了高頻超聲振動(dòng)下微細(xì)觀尺度純鋁鐓粗，結(jié)果表明，超聲的軟化效應(yīng)持續(xù)時(shí)間較短，硬化效應(yīng)在成形過程中始終存在，且超聲振動(dòng)施加時(shí)間越長硬化效果越明顯[13]。Hung J.C. 等研究了微尺度黃銅微圓柱體超聲輔助鐓粗試驗(yàn)，結(jié)果表明，材料流動(dòng)應(yīng)力顯著降低，且試樣尺寸相對(duì)于晶粒尺寸對(duì)流動(dòng)應(yīng)力下降幅度的影響更相關(guān)[14]。Yao Z. 等對(duì)鋁的微尺度鐓粗發(fā)現(xiàn)，超聲振動(dòng)可降低表面摩擦力，并提高成形件表面質(zhì)量[15]。Bunget C. 等設(shè)計(jì)了超聲振動(dòng)輔助擠壓裝置，并通過相關(guān)試驗(yàn)表明施加超聲振動(dòng)后成形載荷顯著降低，表面質(zhì)量顯著提高[16]。

由已有研究可以看出，目前超聲輔助微塑性成形研究相關(guān)基礎(chǔ)試驗(yàn)大部分為鐓粗試驗(yàn)。盡管該試驗(yàn)可以在一定程度上反映超聲的影響，但由于微小尺寸下摩擦力的顯著影響，導(dǎo)致超聲對(duì)材料流動(dòng)特性影響的相關(guān)研究受到一定制約，因此，本研究采用自制超聲振動(dòng)薄板拉伸試驗(yàn)裝置開展超聲輔助 TAl薄板拉伸試驗(yàn)，測量不同條件下的屈服強(qiáng)度和拉伸強(qiáng)度，研究超聲振動(dòng)對(duì)材料流動(dòng)特性的影響。

1 超聲輔助薄板拉伸試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)材料選用退火TA1純鈦板，板厚為1.1 mm，其化學(xué)成分見表1，試樣采用標(biāo)準(zhǔn)拉伸試樣。研究選擇超聲功率和頻率作為影響因素，研究超聲振動(dòng)對(duì)TA1純鈦板材材料流動(dòng)特性的影響，試驗(yàn)條件見表2，每組條件下重復(fù)3次以減小試驗(yàn)誤差。試驗(yàn)在準(zhǔn)靜態(tài)加載條件下（GB/T 228—2002）進(jìn)行。

表1 TA1化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）Tab.1 Chemical composition of TA1 (mass fraction) %

1.2 試驗(yàn)裝置

為了將超聲能量施加于試樣，本研究設(shè)計(jì)制造了薄板超聲振動(dòng)拉伸試驗(yàn)裝置。裝置由4個(gè)功能模塊組成：超聲波發(fā)生器、換能器、變幅桿及夾持裝置，見圖1。

表2 試驗(yàn)條件Tab.2 Test condition

圖1 超聲振動(dòng)拉伸試驗(yàn)裝置Fig.1 Apparatus of ultrasonic vibration tensile test

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)所得不同條件下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線見圖2。可以看出，在超聲振動(dòng)作用下，材料屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度出現(xiàn)顯著下降，即材料在塑性變形過程中出現(xiàn)“軟化”。這一現(xiàn)象可以從能量角度解釋，隨著外界超聲能量的輸入，滑移系更易于開動(dòng)，位錯(cuò)更易于運(yùn)動(dòng)，即超聲能量作用下削弱了材料的各種內(nèi)應(yīng)力，使材料更易于塑性變形，即表現(xiàn)為材料屈服強(qiáng)度降低。另外，疊加超聲振動(dòng)后材料伸長率出現(xiàn)一定程度的下降。伸長率的下降是由于超聲振動(dòng)能量的介入導(dǎo)致材料內(nèi)部缺陷提前萌生并擴(kuò)展，從而導(dǎo)致伸長率下降。

2.2 超聲功率的影響

不同功率條件下屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度見圖3?？梢钥闯觯曨l率20 kHz條件下，疊加100～300 W超聲振動(dòng)，TA1純鈦板屈服強(qiáng)度下降7%～10%；且隨著超聲功率的增大，屈服強(qiáng)度逐漸下降。同時(shí)可以發(fā)現(xiàn)，疊加100～300 W的超聲振動(dòng)使TAl純鈦板抗拉強(qiáng)度降低 11%～14%，功率對(duì)抗拉強(qiáng)度的影響并不顯著。

圖2 超聲輔助拉伸真實(shí)應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.2 True stress-strain curves in ultrasonic vibration

圖3 超聲振動(dòng)功率對(duì)屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度的影響(20 kHz)Fig.3 Influences of supersonic vibration power level on yield strength and tensile strength (20 kHz)

疊加超聲振動(dòng)后，隨著功率的增大，輸入能量的增大進(jìn)一步促進(jìn)了位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，從而導(dǎo)致材料屈服強(qiáng)度的降低；功率的增大一方面導(dǎo)致了材料內(nèi)部缺陷提前萌生并擴(kuò)展，伸長率下降，抗拉強(qiáng)度下降，另一方面促進(jìn)了位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致更多的位錯(cuò)塞積，促進(jìn)了材料的硬化，在這兩種相反機(jī)制共同作用下，材料抗拉強(qiáng)度呈現(xiàn)出對(duì)功率不敏感的特征。

2.3 超聲頻率的影響

不同頻率條件下屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度見圖4?？梢钥闯?，功率為200 W時(shí)，屈服強(qiáng)度降低了5%～8%，抗拉強(qiáng)度降低了 11%～14%，即頻率對(duì)屈服強(qiáng)度的影響并不顯著，對(duì)抗拉強(qiáng)度有顯著的下降作用。

圖4 超聲振動(dòng)頻率對(duì)屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度的影響(200 W)Fig.4 Influences of vibration frequency on yield strength and tensile strength (200 W)

在功率一定的條件下，隨著頻率的增大，材料內(nèi)部缺陷加速萌生，導(dǎo)致材料抗拉強(qiáng)度顯著下降；頻率的增大導(dǎo)致試樣承受的超聲波作用力相對(duì)減小，位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)力下降，從而導(dǎo)致材料屈服強(qiáng)度增大。同時(shí)，試樣的幾何尺寸及其動(dòng)力學(xué)特性也對(duì)超聲振動(dòng)的激勵(lì)產(chǎn)生影響。在兩種機(jī)制共同影響下，材料的屈服強(qiáng)度呈現(xiàn)出對(duì)頻率不敏感的特點(diǎn)。

3 結(jié)論

利用自制超聲振動(dòng)拉伸試驗(yàn)裝置進(jìn)行了不同條件下的TAl純鈦板材拉伸試驗(yàn)，得出如下結(jié)論。

1) 疊加超聲振動(dòng)后，材料的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度均降低，表明材料出現(xiàn)軟化效應(yīng)。

2) 在頻率為20 kHz條件下，材料屈服強(qiáng)度降低7%～10%，抗拉強(qiáng)度降低11%～14%，隨著功率的增大，材料屈服強(qiáng)度逐漸下降，但功率對(duì)抗拉強(qiáng)度的影響并不顯著。

3) 在功率為 200 W 時(shí)，材料屈服強(qiáng)度降低5%～8%，抗拉強(qiáng)度降低11%～14%，隨著頻率的增大，材料抗拉強(qiáng)度顯著下降，但頻率對(duì)屈服強(qiáng)度的影響并不顯著。