超声振动辅助塑性成形及形性预测研究进展

随着微机电系统等领域的快速发展,对零件成形精度与性能的要求日益增加。超声振动辅助塑性成形是一种典型的能场辅助塑性成形工艺,相比于传统塑性成形工艺,具有流动应力低、材料成形能力高、界面摩擦少、成形质量较好等优势,被广泛应用于难成形材料加工、微成形、复杂构件成形等塑性成形过程。然而,由于不同塑性成形工艺中金属的变形行为特性存在较大差异,对塑性成形质量与成形性能进行预测有利于实现成形过程的形性协同控制。介绍了超声振动辅助塑性成形在体积成形工艺（镦粗、挤压、拉拔等）与板料成形工艺（拉伸、拉深、渐进成形、冲压等）中的应用及发展概况,讨论了超声振动对材料塑性变形过程中宏观表现与微观演化的影响。在已有研究基础上,重点分析了超声振动辅助塑性成形过程中成形能力预测（流动应力、成形极限等方面）和成形性能预测（表面性能、力学性能、微观组织等方面）的研究进展,为金属零部件成形高质量形性调控提供理论参考,并展望了超声辅助塑性成形工艺的发展趋势。     

金属板材屈服行为与塑性失稳力学模型在微尺度下的应用

板材屈服准则与塑性失稳模型是精准描述高性能构件成形或服役过程的基础与前提。在板材塑性成形过程中,试样几何尺寸、材料晶粒大小、自由表面粗化和织构分布等都会对材料的塑性变形行为产生不可忽略的影响,导致单一尺度下的本构模型和断裂准则不能有效预测微观尺度下的材料变形行为和各种缺陷,大大限制了合金板材在航空、航天、汽车、医疗等工业上的应用。对现有屈服准则的研究进展进行了较为全面的回顾,从Hill、Hershey-Hosford和Drucker这3个系列出发,分别进行了对比分析,并总结了目前国内外用于验证屈服准则的金属板材双向拉伸实验机发展状况。基于不同的破裂失稳机理,将失稳模型分为宏观失稳准则、韧性断裂准则和耦合材料损伤演化的韧性断裂准则,并分别进行了归纳和阐述。此外,随着微成形技术的逐步推广,也对宏观塑性成形理论在微尺度下的应用进展进行了说明,指出了宏观屈服准则和失稳模型在微尺度下的不足和缺陷。最后讨论了宏观屈服准则和失稳模型今后的发展趋势以及宏观塑性成形理论在微尺度下的应用前景。     

电流辅助微成形技术研究进展

高强难变形金属材料微成形中普遍存在成形温度高、表面氧化严重、模具寿命低等问题,迫切需要发展提高难变形材料微成形潜力的新原理、新方法和新工艺。电流辅助微成形技术可以明显改善材料的塑性流动能力、优化微观组织、改善表面质量、提升构件综合力学性能,在突破高强难变形材料制造瓶颈方面具有巨大潜力。基于此,从电流诱发的非热电致塑性效应(电子风)、焦耳热效应和次生效应(裂纹愈合、局部电势)等方面综合评述了电致塑性效应的物理机制,分析了电流激励下材料成形性和应力降等力学性能的响应规律,并从电流对材料回复、再结晶及相变等微观组织的影响方面探讨了电致塑性效应的微观作用机理,进而讨论了近年发展的一些电流辅助微成形工艺,总结并提出了电流辅助微成形技术在理论和工艺方面面临的挑战。     

金属超声振动塑性成形技术研究现状及其发展趋势

金属超声振动塑性成形,由于能够有效降低设备成形力,提高材料成形极限,改善成形零件质量,在塑性成形领域逐渐发挥了重要作用。介绍了金属超声振动塑性成形的原理与主要特点,以及理论机制中"体积效应"和"表面效应"的研究进展。综述了超声振动在铝/镁合金等轻合金塑性成形工艺中应用的研究现状。提出了目前金属超声振动塑性成形在理论和应用研究中存在的主要问题,并对该技术未来的发展趋势进行了展望。     

纳米材料微阵列超塑微成形机理与尺度效应

微成形技术是未来批量制造高精密微小零件的关键技术,但是,微小尺度下材料的塑性变形行为不仅表现出明显的尺度效应,而且零件尺度已经接近常规材料的晶粒尺寸,每个晶粒的形状、取向、变形特征对整体变形产生复杂的影响,难以保证微成形的工艺稳定性。本项目采用纳米材料进行微成形,制造微阵列,零件内部包含大量的晶粒,可以排除晶粒复杂性的影响,而且纳米材料具有超塑性,在超塑状态下,变形抗力和摩擦力都明显降低,从而显著降低微成形工艺对模具性能的苛刻要求,提高工艺稳定性和成形精度。目前,纳米材料超塑性微成形技术方面的研究极少,变形时纳米材料的力学行为、变形机理、尺度效应、位错演化、力学模型等关键问题还有待研究。采用电沉积技术制备晶粒尺寸可控的纳米材料,将工艺实验研究、性能测试、组织分析、力学性能表征、数值模拟相结合,深入探究了纳米材料微阵列超塑性微成形机理和成形规律,以促进该技术的广泛应用。     

特种能场辅助微塑性成形技术研究及应用

特种能场辅助微塑性成形技术是利用声、光、电、磁等特殊能量源对微型零件变形过程进行调控的先进制造技术。特种能场已被证明在宏观尺度下对于降低零件加工难度、提高尺寸精度、改善材料微观组织、提升构件力学性能、提高表面质量等存在促进作用。然而,在微塑性成形过程中,材料的变形特性在尺寸效应的影响下与宏观情况存在一定差异。梳理了特种能场辅助微塑性成形技术的研究进展,总结了微型零件在特种能场辅助下的成形特点。其中,着重综述了超声场辅助微成形中体积效应和表面效应的宏观表现及微观机理,展示了多种微成形工艺中超声场对微型零件成形质量的提升效果。同时,重点概述了电场辅助微成形时材料力学性能及微观组织演变规律,剖析了电致塑性效应产生的本质原因。此外,列举了激光、电磁、高压流体等其他特种场辅助微成形的原理及作用效果。最后,对特种能场辅助微成形的发展趋势进行了展望。     

微塑性成形技术的研究进展

介绍了塑性微成形技术的发展背景及其基本特点,综述了尺寸效应及其对微塑性成形工艺的影响、微型构件微塑性成形工艺以及微成形装置的研究现状,并对其发展趋势进行了预测.     

温挤压微成形系统及其数值模拟研究

零件尺寸微型化带来了"尺度效应"等问题,对塑性成形理论、设备和工艺等都提出了更高的要求.针对微挤压中冷热成形的不足,提出了温挤压微成形工艺.在借鉴现有微成形装置的基础上给出了自行设计的温挤压微成形系统,并对其工作原理进行了阐述.为了探索坯料在微挤压筒内的流动行为,利用ABAQUS/Explicit模块对温挤压微成形进行了数值模拟,着重分析了210℃时温挤过程中的应力分布以及不同摩擦条件下金属的流变行为,揭示了不同工艺参数对温挤压微成形规律的影响,从而为其模具优化设计提供科学的理论依据.     

微薄板塑性成形本构关系研究

尺寸效应的影响使得传统的成形理论和变形机制不再适用于微塑性成形.在考虑尺寸效应对微薄板成形性能影响的基础上,对已有的CuZn36黄铜薄板微拉伸实验结果进行处理,提出了一种研究微塑性成形本构关系的方法.根据弹性和塑性变形过程,分阶段分析了t/d(板厚/晶粒大小)对屈服强度和切线模量的影响,修正了双线性弹塑性本构关系,获得了考虑尺寸效应的微塑性成形本构关系.借鉴宏观增量本构关系,结合微拉伸实验,采用Mises屈服准则和随动强化模型,得出适合微塑性成形的弹塑性增量本构方程,为微塑性成形的理论研究和实际应用奠定了基础.     

数值模拟技术在微成形研究中的应用

微成形技术具备高生产效率、高材料利用率和优异的成形质量,是一种极具发展前景的高精度加工技术。数值模拟技术作为一种先进的研究手段,可以在塑性加工中对材料的变形和工艺可行性等进行评估和预测,达到节约生产成本、缩短研发周期的作用。主要综述了数值模拟技术在微成形研究中的典型应用。介绍了数值模拟技术在研究材料性质和材料变形方面的应用,包括利用Voronoi方法和晶体塑性方法建立金属多晶体模型,研究了微成形过程中材料的变形机制和尺寸效应,建立了材料摩擦函数、构建了零件粗糙表面,研究了微成形过程中的摩擦行为;将晶粒大小、晶体取向与板料模型相关联,研究了微成形过程中薄板的回弹行为和成形极限。除此之外,也介绍了近年来微成形领域的许多新成形技术,如激光辅助微成形、水射流增量微成形、超声辅助微成形,以及数值模拟方法在这些新微成形技术方面的应用。最后,总结了数值模拟技术在微成形研究中所起的作用,并展望了该领域的未来发展趋势。     

Experimental and Numerical Study of Micro Deep Drawing of Copper Single Crystal

One of the problems in a micro-forming process is the grain size effect, which means the formed part consists of a single grain or several grains sometimes, so the material shows anisotropic or heterogeneous. Under these conditions, a conventional method, which based on the isotropic and homogeneous material hypothesis, is not suitable. In this paper, Experimental investigations into micro deep drawing of the copper single crystal were carried out and the pattern of the micro-cup and the drawing force were observed. Using crystal plasticity theory, a user material subroutine (VUMAT) was built and linked to ABAQUS, and the micro deep drawing was simulated according to the experimental configuration. The results show that earing occurs at mouth of the micro-cup. The profile, quantity, and location of ears depend on the crystalline orientation in the blank. The simulations are in good agreement with the experiments, which demonstrate that the crystal theory has the rationality and validity in micro-forming simulations.     

纳米材料及其技术的应用前景

纳米材料由于其独特的表面效应,体积效应以及量子尺寸效应,使得材料的电学、力学、磁学、光学等性能产生了尺人的变化。纳米在精细陶瓷、微电子学、生物工程、化工、医学等领域的成功应用及其广阔的应用前景,使人米材料及其技术成为目前科学研究的热点之一次,被认为是２１世纪的又一次产业革命。     

摩擦因素对微压痕实验的影响

材料在发生微米亚微米尺度不均匀变形时表现出尺度效应,微压痕问题是典型代表。目前的微压痕研究中普遍采用无摩擦假设,而相对缺少对摩擦因素的深入研究。基于CMSG低阶应变梯度塑性理论,通过有限元分析研究了摩擦因素对微压痕实验的影响。结果表明对于目前普遍采用的较钝的Berkovich压头(简化为圆锥后顶角为140.6?),摩擦的影响并不重要,可以简化为无摩擦情况。     

Investigation of Stress-Strain Relations of initially anisotropic metals under proportional and nonproportional loading

In plasticity theories–applied in practical calculations- are usually based on the assumption of materials isotropy. Commercially obtained structural metallic materials however are originally anisotropic due to various kinds of thermal and mechanical treatments. Aluminium, titanium and magnesium alloys are typical anisotropic structural materials. The wide application of these materials in different fields of engineering demands more accurate mechanical behaviour predictions for these alloys under various conditions of loadings. In the aper, a simple theory of plasticity for anisotropic metals is proposed which is based on the results of experimental investigations into elasto-plastic deformation of initially anisotropic aluminium alloys subjected to simple (proportional) loading as well as under loading along stress path with a corner.     

镁合金织构演化晶体塑性力学模型的研究进展

晶体塑性力学建立于位错理论,能够将材料的塑性变形行为和微观组织变化联系起来,被广泛应用于形变织构的研究中。简述了镁合金的塑性变形机制,介绍了晶体塑性力学在镁合金织构演化模拟中的应用发展过程,重点对泰勒模型、弹塑性自洽模型、粘塑性自洽模型、弹粘塑性自洽模型的研究过程及其应用现状进行了综述。最后指出了晶体塑性力学模型在镁合金织构演化应用中存在的问题,并展望了其在镁合金变形织构模拟中的应用前景。     

微细材料细晶处理方法及其研究发展

近些年微成形技术的研究热度不断增高,金属薄板、箔材及丝材等可直接用于微型件制造的微细材料缺少专门性研究,微细材料的微观结构与性能直接影响微型件的成形质量。综合评述了大塑性变形细晶方法、电流辅助工艺和微观结构调控等方面的相关研究,着重介绍了适合于微细材料的反复折弯压直和限制模压变形2种反复折弯形变细晶的方法。分析了微细材料细晶处理存在的问题,提出了适合用于微细材料的细晶及增塑处理的研究方法,展望了微细材料电流辅助形变工艺和微观结构调控的研究方向。开展了微成形用微细材料预处理方法与相关技术研究,对促进微成形技术的发展具有重要的理论意义和应用价值。