微拉伸尺度效应及数值模拟研究

论文摘要

近年来随着微电子技术和微机电系统的快速发展,’对微形零件的需求量急剧增加,微细零件产品的加工在整个加工制造业中的地位越来越重要,而微塑性成形技术作为一种新的微细加工方法,由于其诸多的优点,受到了人们的高度重视。但由于尺寸的微小,出现了显著的尺度效应,使得传统的塑性加工工艺不再适用于微塑性成形中,让其成为了一个崭新的研究领域。首先,本文对目前微塑性成形的主要研究内容进行了总结,重点对尺度效应进行了阐述,给出了尺度效应的定义和分类,并对每类尺度效应现象的理论解释进行了总结。其次,通过热处理实验和H62黄铜箔板的微拉伸实验来研究微尺度效应现象,重点研究了轧制方向、晶粒尺寸和试样特征尺寸这三个因素对材料尺度效应的影响,实验结果表明：在微尺度下,板料的轧制方向对材料力学性能的影响与传统尺寸下具有相同的影响趋势；材料的晶粒尺寸和特征尺寸对材料的应力应变曲线有着明显的影响,具有显著的尺度效应,在材料特征尺寸一定的情况下,随着晶粒尺寸的减小,拉伸屈服应力逐渐增大,并且晶粒尺寸对屈服应力的影响满足Hall-Petch细晶强化关系。再次,本文以试样横截面的截面积为参数将厚度尺寸和宽度尺寸相互联系起来,并很好地反映出了特征尺寸对试样屈服应力的影响趋势,当试样的截面积大于10×104μm2时,表现出第Ⅰ类尺度效应,材料的屈服应力随着试样截面积的减小而减小；当试样的截面积小于10×104μm2时,表现出第Ⅱ类尺度效应,材料的屈服应力随着试样截面积的减小而增大。然后,在实验数据研究分析的基础上,将晶粒尺寸和试样特征尺寸两个相互独立的影响因素相互联系起来,得出了一个统一表征尺度效应的影响因子（b*D）-1/2,并且对于晶粒尺寸试样和特征尺寸试样,该因子均能很好地反映出试样屈服强度的变化趋势,得出试样的屈服强度随着（b*D）-1/2值的增大呈线性增大。最后,在修正的表面层模型基础上,利用分层的方法将其应用到有限元模拟软件ABAQUS中,对微拉伸过程进行数值模拟,将模拟结果与实验的结果进行了对比,论证了表面层模型的正确性,可以在一定的尺度范围内作为模拟微塑性成形的本构模型,并在此基础上对微拉深成形过程进行了数值模拟研究。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 致谢
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 微塑性成形的最新概况
• 1.2.1 微塑性成形的产生背景
• 1.2.2 微塑性成形的发展概况
• 1.3 微塑性成形的主要研究内容
• 1.3.1 尺度效应研究
• 1.3.2 微塑性成形工艺研究
• 1.3.3 微塑性成形模具的研究
• 1.3.4 微塑性成形过程有限元数值分析研究
• 1.3.5 微塑性成形设备和装置
• 1.4 本课题的主要研究内容
• 1.5 本章小结
• 第二章 尺度效应分类及理论模型
• 2.1 尺度效应的分类
• 2.2 第Ⅰ类尺度效应
• 2.2.1 表面层理论模型
• 2.2.2 中尺度模型
• 2.3 第Ⅱ类尺度效应
• 2.3.1 CS应变梯度塑性理论-偶应力理论
• 2.3.2 应变梯度塑性SG理论-伸长和旋转梯度理论
• 2.3.3 基于细观机制的应变梯度塑性理论（MSG）
• 2.4 本章小结
• 第三章 H62黄铜箔热处理及微拉伸实验
• 3.1 H62黄铜箔热处理实验
• 3.1.1 实验材料与热处理工艺
• 3.1.2 材料组织观察
• 3.1.3 热处理结果及分析
• 3.2 H62黄铜箔板的微拉伸实验
• 3.2.1 实验方法选择
• 3.2.2 拉伸试样的制备和拉伸设备的选择
• 3.2.3 微拉伸实验研究方案的设计
• 3.2.4 微拉伸试验结果处理与分析
• 3.3 实验讨论
• 3.4 本章小结
• 第四章 基于表面层模型的微拉伸数值模拟研究
• 4.1 ABAQUS软件简介
• 4.2 修正的表面层模型
• 4.3 有限元模型的建立
• 4.4 模拟结果与实验结果对比分析
• 4.4.1 应力分布
• 4.4.2 流动应力应变曲线
• 4.5 本章小结
• 第五章 微拉深实例的数值模拟研究
• 5.1 拉深成形简介
• 5.2 实验参数的确定
• 5.3 有限元模型的建立
• 5.4 实验结果分析
• 5.5 本章小结
• 第六章 结论与展望
• 6.1 主要结论
• 6.2 研究展望
• 参考文献
• 硕士期间发表的学术论文