3J21合金微冲裁残余应力研究

发布时间：2017-12-17 03:25

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【摘要】：Co40NiCrMn合金(3J21合金)是一种已获得广泛应用的钴基高弹性合金,具有无磁、高的强度和硬度、耐疲劳和酸碱腐蚀等良好的机械性能。因此,3J21合金常被用来制造高精密仪器及航天航空中的微型弹性元件。与此同时,迅猛发展的微电子机械系统促使微小零件的需求量急剧增加,并且产品的微型化对微小零件的准确、高质量成形提出了很高的要求。微冲裁作为一种新颖的塑性加工技术,非常适用于工业中大批量生产具有良好断面质量和较高尺寸精度的微小型零件。然而,微冲裁成形的零件内部会产生残余应力,它不会随着成形过程的结束而消失,而残余应力的存在会影响零件的使用性能和疲劳寿命。因此,研究微冲裁件的残余应力,对提高其服役安全性和揭示其失效机制具有十分重要的意义。通过对无应力状态下的3J21合金进行纳米压痕试验来研究压痕尺寸效应,探索压头压入深度对载荷-压深曲线及硬度、弹性模量等材料性能参数的影响。引入常用的压痕尺寸效应描述模型,分析压入深度的变化对3J21合金硬度的影响规律,并确定利用纳米压痕测试法测试微冲裁件残余应力的合适压入深度。针对应用于微冲裁件的3J21合金,利用单轴拉伸试验来获得其材料力学性能参数,基于金属材料常用的Johnson-Cook本构关系方程,建立起3J21合金的简化J-C本构关系方程。利用有限元软件对3J21合金的微冲裁过程进行分析,研究不同单边冲裁间隙对微冲裁过程的影响规律,探索了微冲裁过程中应力的变化及分布规律。利用本课题组自主研制的高精密微冲裁成形设备,根据对3J21合金微冲裁过程的有限元分析结果来确定冲裁模具的单边冲裁间隙,在厚度为1001μm的3J21合金箔片上冲裁出边长为400gm的正方形微冲裁零件。结果显示,微冲裁成形的零件形状较为规则,且冲裁断面分为较为明显的四个部分,证明该设备具有较高精度的成形能力。分别对无应力状态下3J21合金和以3J21合金为冲裁板料的微冲裁件进行纳米压痕试验,研究残余应力的存在对相关压痕参数的影响规律。结果显示,残余应力仅对压痕产生过程的加载响应有影响,而与其卸载响应无关。根据这一试验结果,从压痕产生过程中压头做功的角度出发,基于能量守恒的观点建立了适用于3J21合金微冲裁件的残余应力计算模型,并采用预应力施加的方式对压痕试验进行有限元仿真,验证所建立的残余应力计算模型的正确性,最后利用其测量出3J21合金微冲裁件残余应力。
【学位授予单位】：大连理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TG386.2

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