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。     

塑性微成形技术研究进展

随着微纳米科学和微机电系统(Micro-Electro-Mechanical Systems,MEMS)技术的快速发展,人们对微型零件的需求日益增加。塑性微成形是一种采用塑性变形,成形零件尺寸至少有两个方向在亚毫米量级的微制造方法,具有加工效率高、工艺简单以及成形零件性能优异和精度高等特点,特别适合于微型零件的低成本批量制造。介绍了塑性微成形技术的研究背景、应用领域及其优点,综述了微成形在尺度效应、新设备以及工艺方法等方面的最新研究进展,并论述了微成形技术在新材料(超细晶材料及非晶材料)方面的发展趋势。     

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。     

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。     

镁锂合金微型热管电场辅助超塑挤压成形

目的 解决新一代轻质镁锂合金微型热管加工难度大、尺寸精度差、性能不稳定的难题。方法 对镁锂合金坯料施加脉冲电流,利用脉冲电流产生的电致超塑性效应提高塑性变形能力,降低镁锂合金微型热管的加工难度。利用有限元仿真和实验相结合的方法,分析微型热管电场辅助超塑挤压过程中微型热管的变形行为与缺陷演变。结果 电场辅助超塑成形的挤压力远低于相同温度下纯加热成形的变形力,能够单道次挤压出Φ2 mm的微细热管。结论 与相同温度下的纯加热成形相比,电场辅助微型热管超塑挤压成形的变形抗力降低了50%,证明电致超塑性可有效降低镁锂合金微型热管的加工难度。随着超塑挤压速度的增加,变形不均匀性加剧。当挤压速度为0.006~0.02 mm/s时,能够获得尺寸精度和表面质量较好的微型齿槽。当挤压速度超过0.02 mm/s时,容易导致微型齿与管壁区域之间的材料流动不均匀,甚至诱发断裂。当挤压温度为200~280 ℃时,可以软化材料,降低挤压力,避免了温度过高产生的“焊接”现象。镁锂合金微型热管成形过程受尺寸效应影响,在挤压杆微型齿槽表面,亚毫米尺寸导致镁锂合金与模具间的界面摩擦增大、材料流动变慢,进而影响了微型齿槽的填充质量。     

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。     

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.     

脉冲电流在镁合金加工中的应用进展

镁合金作为最轻的金属结构材料,具有比重轻、比强度高、电磁屏蔽性能好、抗震性好、易加工、可回收利用以及生物相容性和可降解性良好等特点,在数码、交通和生物医用领域有广泛的应用前景。然而,镁的晶体结构为密排六方结构,在室温下可启动的滑移系少,塑性变形能力较差,这成为限制其广泛应用的主要原因。近年来,关于改善合金加工性能的研究已经广泛开展。研究较多的是通过对塑性加工工艺进行优化来提高合金的成形以及综合力学性能,如大塑性变形、半固态加工、电辅助成形等。其中,电辅助成形是利用电塑性效应,提高合金在加工过程中的塑性,降低变形抗力,同时还能有效节约能源,是实现难变形材料精准成形、提高材料综合性能的绿色加工技术。本文对脉冲电流在镁合金加工中的应用进行了综述,系统探讨了当前变形镁合金的加工方法与力学性能,分析了当前制约变形镁合金发展的因素,重点讨论了电塑性效应的研究现状,总结了国内外电塑性效应在镁合金加工中的研究现状,举例说明了脉冲电流在镁合金轧制、冲压等工艺中的应用。最后,从电塑性效应、止裂效应、极性效应三方面出发,重点综述了脉冲电流在金属塑性加工中的微观作用机理,并对脉冲电流在镁合金中的加工应用前景进...     

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。     

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.     

高频/ 超声振动辅助微成形技术研究进展与展望

微机电系统等技术的快速发展,给微成形技术提供了强大的发展动力。主要综述了体积微成形、箔板微成形以及微成形介观尺度效应等3个方面的研究进展,并结合作者的研究经历对微成形研究中存在的问题进行了简要分析。在此基础上,着重综述了高频/超声振动作用下材料的力学行为,介绍了材料变形抗力降低的主要原因,即应力叠加、声波软化及摩擦力降低,并从体积效应和表面效应两个方面对其作用机制进行了概述。进而综述了高频/超声振动在微冲裁、微挤压以及微拉深等微成形工艺中应用的研究进展,介绍了高频/超声振动的积极效果。最后,对该方向的研究进展进行了总结,并对其发展前景和主要发展方向进行了展望。     

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。     

外加能量辅助搅拌摩擦焊技术的研究进展

搅拌摩擦焊接已经成为材料成形领域主要的固相连接工艺技术。在简要回顾搅拌摩擦焊及其衍生焊接技术研发现状的基础上,综述了近年来国内外开展的第二能量辅助搅拌摩擦焊的研究现状,主要包括激光、电弧、感应、电流、超声等能量辅助搅拌摩擦焊技术。进而着重综述了超声振动辅助搅拌摩擦焊的研究进展,介绍了目前出现的3种超声振动在搅拌摩擦焊中的施加方式。最后,对外加能量辅助搅拌摩擦焊下一步的研发方向进行了展望。     

微电子材料在微塑成形中的尺度效应

微电子材料在微机电系统（MEMS）的发展中越来越受到青睐，但是其工艺加工的不足限制了实际应用的步伐。微塑性成形可以成形微电子器件，由于其尺寸微型化，在微塑性成形中存在一个不可避免的“尺度效应”问题，尺度效应表现在材料的流动行为、成形中摩擦效应和实验结果的分散性上。在介绍尺度效应的基础上对其进行了分类，给出了判断标准，并从流动应力、晶粒尺度、摩擦效应和温度效应等方面综述了尺度效应对微塑性成形的影响。由于基于连续介质的传统塑性力学理论无法解释微塑性成形过程中的尺度效应，因此引入了非均匀介质的塑性应变梯度理论并进行了探讨，最后指出了尺度效应的研究发展方向，从而促进微电子材料的开发应用。     

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。     

An experimental and numerical investigation on micro rolling for ultra-thin strip

The demand for miniaturized parts and miniaturized semi-finished products is increasing nowadays, because microforming processes can improve production rate and minimize material waste due to less forming passes. However, traditional macro metal forming processes and modelling cannot be simply scaled down to produce miniaturized micro parts. In this study, a 2-Hi micro rolling mill has been successfully built. Experimental and numerical investigations on the micro rolling process for ultra-thin SUS 304 stainless steel strip have been conducted. The experimental results show that the micro rolling deformation of ultra-thin strip is influenced by size effect which results from the specimen size difference and this size effect is embodied in the flow stress and the friction coefficient. Analytical and finite element (FE) models in describing size effect related phenomena, such as flow stress, friction, rolling force and deformation behaviour, are proposed. The material surface constraint and the material deformation mode are critical in determination of material flow stress curve. The analysis of surface roughness evolution with rolling conditions has also been performed. The identified analysis on deformation mechanics provides a basis for further exploration of the material behaviour in plastic deformation of micro scale and the development of micro scale products via micro rolling.