微型正挤压工艺尺度效应实验研究及数值模拟

论文摘要

本研究由上海交通大学青年教师科研启动基金资助。在对微成形及各种尺度效应现象的研究现状与发展趋势详细分析的基础上,选取典型的微型正挤压工艺作为研究对象,通过对具有不同外形尺寸以及不同平均晶粒直径的圆柱体微型铜坯料进行微型正挤压成形实验,研究坯料尺寸、晶粒尺寸等因素对微型正挤压工艺过程中发生的流动应力波动尺度效应的影响;通过对所成形零件轴截面上的显微硬度测试试验,研究晶粒直径的变化对材料非均匀流动尺度效应现象的影响,为微成形工艺的进一步研究与发展作了初步探索。本研究同时还设计、制造了微型正挤压模具,对微成形工艺模具设计进行了初步探讨。最后还运用通用有限元软件MSC.MARC对微型正挤压工艺过程进行了数值模拟的初步研究,方便了微成形工艺数值模拟相关研究的进一步开展。通过对微型正挤压工艺的实验研究,发现随着坯料平均晶粒直径的增大,微型正挤压工艺实验的可重复性明显降低,流动应力波动尺度效应现象也越来越明显,成形过程中材料的流动应力波动幅度也随之增大;通过成形件的显微硬度测试,发现随着坯料的平均晶粒直径的增大,变形区附近材料的显微硬度分布不再是对称分布,轴线两侧材料的显微硬度的偏差值也随之增大,间接反映出成形过程中材料的非均匀流动尺度效应现象越来越明显;通过对微挤压过程的初步数值模拟研究,验证了利用有限元数值模拟技术研究微成形工艺过程及尺度效应现象的可行性。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 微成形技术
• 1.2.1 微成形技术的定义
• 1.2.2 微成形技术的特点与优点
• 1.2.3 微成形技术国内外研究现状
• 1.3 课题研究意义及主要内容
• 1.3.1 课题的研究意义
• 1.3.2 研究的主要内容
• 1.4 本章小结
• 第二章 金属塑性变形物理本质
• 2.1 晶体学基础
• 2.1.1 晶体结构与空间点阵
• 2.1.2 晶胞和晶系
• 2.1.3 面心立方金属的晶体结构
• 2.2 单晶体塑性变形理论基础
• 2.2.1 滑移变形
• 2.2.2 位错
• 2.3 多晶体塑性变形理论基础
• 2.3.1 晶界对多晶体塑性变形的影响
• 2.3.2 晶粒大小对多晶体应力－应变曲线的影响
• 2.3.3 晶粒大小对多晶体流动应力的影响
• 2.4 本章小结
• 第三章 微成形尺度效应
• 3.1 微成形尺度效应现象
• 3.2 流动应力下降尺度效应
• 3.2.1 表面层模型
• 3.2.2 细观模型
• 3.2.3 修正的表面层模型
• 3.2.4 已有模型分析
• 3.3 流动应力波动尺度效应
• 3.3.1 已有研究介绍
• 3.3.2 已有研究分析
• 3.4 其它尺度效应现象
• 3.5 本章小结
• 第四章 微型正挤压工艺实验研究
• 4.1 正挤压工艺基础
• 4.1.1 传统正挤压的成形力
• 4.1.2 传统正挤压过程的材料流动
• 4.2 微型正挤压成形实验
• 4.2.1 坯料成份分析
• 4.2.2 微型正挤压模具设计
• 4.2.3 实验坯料的制取
• 4.2.4 实验方案
• 4.3 实验结果与讨论
• 4.3.1 凸模单位压力－行程曲线
• 4.3.2 流动应力波动分析
• 4.3.3 材料非均匀流动分析
• 4.4 本章小结
• 第五章 微型正挤压工艺有限元数值模拟
• 5.1 有限元方法简介
• 5.2 有限元模型的构造
• 5.2.1 材料本构关系
• 5.2.2 模型构造
• 5.3 有限元模拟结果与分析
• 5.4 本章小结
• 第六章 结论与展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间完成的论文