第一章 绪 论
1.1 引言
微塑性成形技术及其产品在电子行业、医疗器械、国防基础以及人民生活等方面的作用至关重要。微塑性成形目前一般定义为：零部件整体/局部尺寸或者其特征尺寸在 2 个或 2 个以上维度处于 1mm 之下[1]。由于微塑性成形技术优势明显：具备批量大、效率高、精度高、成本低、无污染以及净成形等特性[2,3]，因而中外科研人员在近年来陆续开展了大量的研究工作[4-6]。 虽然金属微塑性成形技术优点突出，然而，由于零部件尺寸微型化，材料力学性能、成形机理表现出明显的尺度效应[1,7]。在该条件下，传统的塑性成形技术不能直接按比例缩小应用于微成形中，摩擦就是其中之一，而且摩擦因素的影响作用是传统成形的 20 倍左右[8]。中外科研人员关于塑性微成形范畴的探索通常集中在如下两个方面：一方面是关于力学性能[9-13]，单拉试验是分析应力－应变曲线最基本途径；另一方面是关于摩擦[14-17]，虽然是塑性微成形研究热门方向，但各方面还有待提高。 摩擦是影响金属塑性成形的关键因素，包括零件轮廓质量、外形尺寸、成形载荷、内部构造以及工具磨损等方面[18-20]。在微成形条件下，由于出现了摩擦尺度效应，库伦定律及常剪应力定律已不再适用[8]，而且严重影响有限元分析的可靠性[21]。中外科研人员对于微成形摩擦尺度效应的研究日益广泛，但体积成形居多，薄板成形相对较少，且大多数只是定性地分析了试验结果，而摩擦尺度效应机理及摩擦模型的研究还不够完善，还需要进一步开展薄板微成形摩擦方面相关研究工作。
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1.2 薄板微成形研究现状
微成形之中，对力学性能尺度效应研究地相对比较充分，一般采用压缩、拉伸、弯曲以及胀形等基本试验手段，主要用于研究尺度变量影响下的力学性能变化规律。拉伸、弯曲以及胀形等试验方法通常用于研究板料的力学性能参数。Messner等[22]对 Cu Zn15 薄板，Kals 等[23]对 Cu Ni18Zn20 薄板，Raulea 等[24]对 Al2S 薄板分别进行了单拉试验，结果均显示，流动应力随薄板厚度尺寸减小而下降。Gau 等[9]通过 Al 1100 及 Brass 26000 薄板的拉伸试验得出，在 T/D（厚度尺寸/晶粒尺寸）>1 的情况下，当 T/D 逐渐降低时，屈服强度及抗拉强度随之下降；在 T/D<1 的情况下，当 T/D 逐渐降低时，屈服强度及抗拉强度反而上升。Raulea等[24]对 Al2S 薄板，Gau 等[9,25]对 Al 1100 及 Brass 26000 薄板分别进行了三点弯曲试验，结果（见图 1.1）均表明，在?（厚度尺寸/晶粒尺寸）>1 的情况下，当?值逐渐降低时，屈服及抗拉强度呈下降趋势；在?<1 的情况下，当?逐渐降低时，屈服强度及抗拉强度反而上升，得到与Gau[9]单拉试验类似的结论。Michel等[26,27]采用胀形试验，对 Cu Zn36 薄板的力学性能开展研究工作，结果表明，屈服强度随板料厚度尺寸减薄而下降。
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第二章 超薄板力学性能单向拉伸试验及分析
2.1 引言
研究表明，当塑性成形零部件整体/局部尺寸或其特征尺寸小于 1mm 时，材料的力学性能、变形机理表现出明显的尺度效应现象。单拉试验作为分析力学性能参数、流变曲线最基本途径，操作方便，数据可靠，且单拉试样形状及尺寸有国标可循。单拉试验开始之前，为了获得晶粒尺寸不同的单拉试样，对 4 种不同厚度 t（20μm、50μm、100μm 以及 200μm）的 SUS304 不锈钢超薄板，分别进行850°C 以及 950°C 固溶热处理，然后通过金相试验，观察并测量了超薄板厚度方向的晶粒组织。这样，连同原始板料，每种厚度的超薄板试样都具有 3 种不同的晶粒尺寸。 本章利用 CMT 5105 系列微机控制电子万能试验机，通过安装特制专用夹具，在常温条件下，对不同规格试样进行单向拉伸试验，分别得到了经过 3 种不同热处理方式的 4 种不同厚度试样的力学性能参数。根据试验结果，对 SUS304不锈钢超薄板的力学性能尺度效应现象进行了研究，并阐述了力学性能尺度效应机理，分析了单拉断口形貌。
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2.2 试验设备及装置
为了获得 SUS304 不锈钢超薄板的力学性能参数，分别对不同规格超薄板试样进行了单向拉伸试验。试验在新三思公司生产的 CMT 5105 系列微机控制电子万能试验设备上开展，该试验设备如图 2.1 所示。 CMT 5105 系列微机控制电子万能试验设备广泛用于分析材料的力学性能，具备对材料开展拉伸、压缩、剪切以及弯曲等基本力学性能测试的功能。而且，自带的高温加热炉可在 0~1050°C 范围内对试样进行拉伸试验，温度测量方式为三段式测温，温度控制误差在±1°C 以内。此种试验设备通过微机对整个试验进程实施监控，即实时动态展现诸如负荷值、位移值、变形值、试验速度与试验曲线等试验参数。同样，通过微机对所有试验数据展开分析，并自行对试验结果执行保存操作，且在试验完成以后可再次提取相应的试验曲线，采用曲线遍历功能能够再现整个试验进程，也可进行曲线比较或放大等操作。该试验设备主要由伺服电动机、连轴器、减速器、同步齿形带、丝杠、试验台和微机等部件组成，上横梁与工作台通过强度较大的光杠稳固起来，所形成的框架构造刚性较好。试验机正常运作时，经由伺服电动机驱动丝杠等传动机构，进而策动移动横梁作上下运动，其主要技术参数如表 2.1 所示。
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第三章 超薄板微成形摩擦试验及分析 .......... 24
3.1 引言 ...... 24
3.2 SUS304 不锈钢超薄板力学性能尺度效应对摩擦的影响研究 ........ 24
3.2.1 试验设备及主要参数 ....... 24
3.2.2 表面形貌观察及测量 ....... 25
3.2.3 试验过程 ........... 27
3.2.4 不锈钢超薄板力学性能尺度效应对摩擦的影响 ........... 28
3.3 工艺参数对 SUS304 不锈钢超薄板摩擦的影响研究 ...... 29
3.4 本章小结 ...... 42
第四章 条形超薄板微成形摩擦试验及分析 .......... 44
4.1 引言 ...... 44
4.2 SUS304 不锈钢超薄板微成形摩擦尺度效应研究 .... 44
4.3 SUS304 不锈钢超薄板微成形摩擦尺度效应机理 .... 48
4.4 条形超薄板微拉深成形研究 ...... 51
4.5 本章小结 ...... 59
第五章 结论与展望 .......... 61
5.1 结论 ...... 61
5.2 展望 ...... 62
第四章 条形超薄板微成形摩擦试验及分析
4.1 引言
通过第三章的线性往复式球-盘摩擦试验表明，在常温和干摩擦条件下，超薄板厚度尺寸或晶粒尺寸减小没有显著影响摩擦系数，即没有表现出摩擦尺度效应现象。然而，研究表明，在液体润滑状态下，当零件尺寸逐渐缩小时，微塑性成形时的摩擦系数呈上升趋势，摩擦尺度效应现象显著。基于此种情况，在液体润滑条件下，必须开展不同试样尺寸超薄板微成形的摩擦试验研究。 由于球-盘接触方式无法模拟对不同宽度尺寸的超薄板试样进行摩擦试验，本章采用圆柱销-条形试样接触方式，在常温条件下，分别对 3 种润滑状态（干摩擦、液压油以及豆油润滑）下的不同规格条形超薄板试样进行线性往复式销-盘摩擦试验。根据试验结果，对 SUS304 不锈钢超薄板摩擦尺度效应现象展开研究，并结合表面摩擦形貌观察及接触面模型分析，揭示其摩擦尺度效应机理。 同时，本章根据超薄板微塑性成形的实际工况，基于 JP 504 型精密电子冲压机，通过安装多尺度精密微矩形件拉深模具，在常温条件下，对不同规格的条形超薄板试样进行微拉深成形，在微塑性成形过程中，分别研究了试样尺寸及模具尺度所引起的摩擦尺度效应现象。
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结论
本文针对 SUS304 不锈钢超薄板，分别研究了力学性能尺度效应以及各工艺参数对超薄板摩擦的影响规律，揭示了摩擦尺度效应机理，探讨了实际微拉深成形工艺的摩擦尺度效应现象，主要得出了如下结论：
1) 对不同规格 SUS304 不锈钢超薄板进行单向拉伸试验，分别研究了厚度以及晶粒尺寸影响下超薄板力学性能尺度效应现象，并阐述了力学性能尺度效应机理，分析了单拉断口形貌。 单拉试验表明，当超薄板厚度或晶粒尺寸减小时，其流动应力均呈现上升趋势，表现出明显的“越小越强”力学性能尺度效应。理论分析表明，不锈钢材料表面钝化膜强化作用以及应变梯度强化效应，使得流动应力随超薄板厚度尺寸减小而增大；根据多晶体材料的细晶强化理论：随着超薄板晶粒尺寸逐渐减小，位错塞积水平不断升高，因而屈服强度不断增大。断口形貌观察发现，不锈钢材料拉伸变形的断裂形式主要表现为微孔聚集型断裂；当超薄板厚度尺寸逐渐增大或晶粒尺寸逐渐减小时，晶粒数量随之增多，晶粒间的协调变形相对容易，拉伸变形较为均匀，减缓了微孔扩展；反之，则会加快板料的断裂。
2) 通过线性往复式球-盘摩擦试验、表面磨痕形貌观察以及磨痕截面尺寸测量，分别研究了材料力学性能尺度效应对薄板摩擦的影响，以及各工艺参数对不同尺寸 SUS304 不锈钢超薄板摩擦的影响规律。 球-盘摩擦试验表明，不同厚度尺寸或不同晶粒尺寸超薄板的摩擦系数平均值几乎相同，最大相差 5.4%，即材料的力学性能尺度效应并未在很大程度上使摩擦系数发生变化。表面磨痕形貌观察及磨痕截面尺寸测量表明，在干摩擦条件下，超薄板摩擦系数随钢球表面粗糙度增大而显著上升；随试样表面粗糙度或摩擦载荷增大而缓慢上涨；随线性往复摩擦速度增大而缓慢下降。综合分析表明，工艺参数保持不变时，厚度尺寸减小没有影响到钢球和超薄板表面间的机械啮合或分子吸引作用，即没有呈现摩擦尺度效应。
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参考文献（略）