准静态加载与激光冲击动态加载金属箔板微弯曲尺寸效应研究

发布时间：2017-09-09 22:27

  本文关键词：准静态加载与激光冲击动态加载金属箔板微弯曲尺寸效应研究

  更多相关文章： 激光冲击 动态加载 准静态加载 尺寸效应 微弯曲 软模成形

【摘要】：随着微电子技术的发展,微制造已经成为一种发展趋势,出现了多种新型微成形工艺,但是随着微零件的几何尺寸的微小化,材料的流动应力与宏观尺度下有着显著的区别,其表现出的尺寸效应已经成为国内外研究热点。本文通过搭建激光冲击动态加载软模微弯曲成形系统和试验机准静态加载软模微弯曲成形系统,对比研究在高、低应变速率的工艺条件下,铜箔晶粒尺寸(d)、铜箔厚度与晶粒尺寸的比值N(N=t/d)、模具特征尺寸(W)对微弯曲成形性能的影响。同时,基于ANSYS隐式分析和LS-DYNA显式分析,完成了试验机准静态加载和激光冲击动态加载微弯曲成形的数值模拟研究;并且,探讨了晶粒尺寸对准静态微弯曲成形性能的影响。本文的主要研究内容和成果如下:(1)在成形深度、形变均匀性和显微硬度三个方面,激光冲击动态加载和试验机准静态加载软模微弯曲成形工艺均表现出强烈的尺寸效应。通过基恩士VHX-1000超景深三维显微镜对成形件成形深度进行测量,研究表明:成形件的标准成形深度随着N值的减小,均呈现先增大后减小的趋势。通过Axio CSM700真彩色共聚焦显微镜对零件表面粗糙度进行测量,实验结果表明:随着晶粒尺寸的增大,成形件的表面粗糙度均呈现增大的趋势。通过对成形件关键点减薄率的测量,研究发现:成形件的减薄率随着晶粒尺寸的增大均呈现出先增大后减小的趋势;并且,晶粒尺寸越大,其形变愈不均匀。采用HV-1000型显微维氏硬度计对动态加载前后的铜箔进行显微硬度测量,结果显示:动态加载前后的材料显微硬度随着N值的增大均呈现先减小后增大的趋势;激光冲击动态加载之后,材料的显微硬度相对于原材有了明显的提高;同时,材料的显微硬度随着塑性应变的增大而增大,并且粗晶材料表现出更强的加工硬化行为。(2)对于成形能力,在准静态加载下,材料的极限成形深度随着晶粒尺寸的增大而降低;同时,随着加载力的增大,不同晶粒尺寸下的工件均发生韧性断裂破坏。而对于激光冲击动态加载,当激光能量达到2J时,工件以高应变率发生塑性形变,产生的晶粒细化、高位错密度、动态再结晶等微观组织结构的演化,将极大的提高材料的动态成形能力,使得成形件能够较好的贴合模具,并且未发生断裂破坏,表现出更好的成形能力。(3)通过数值模拟对准静态加载和激光冲击动态加载软模微弯曲成形进行研究。研究发现,随着模具特征尺寸的增大,工件成形深度逐渐增大。激光冲击动态加载软模微弯曲成形件的关键点的等效塑性应变、等效塑性应变率均随着模具特征尺寸的增大而减小,与准静态加载表现出相反的规律。(4)由于缺乏动态加载下,铜箔晶内晶界材料的本构模型,因此本文仅在准静态加载条件下,探讨晶粒尺寸、晶界强化行为对软模微成形行为的影响。本文通过Voronoi算法,分别构建了四种晶粒尺寸下,铜箔晶内晶界几何模型;基于位错密度模型分别建立了紫铜晶内晶界材料的本构模型。数值模拟结果表明:当N1时,随着晶粒尺寸的增大,工件成形深度、表面粗糙度逐渐增大。本文的研究内容表明:在成形深度、形变均匀性以及显微硬度方面,激光动态加载微弯曲成形依然存在着与准静态微弯曲成形相似的尺寸效应;但是,激光冲击动态成形表现出更好的成形能力,为动态微成形工艺的实际应用提供了理论和试验指导。
【关键词】：激光冲击 动态加载 准静态加载 尺寸效应 微弯曲 软模成形
【学位授予单位】：江苏大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TG146.11
【目录】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-12
• 第一章 绪论12-24
• 1.1 引言12-13
• 1.2 金属箔板微弯曲成形国内外研究现状13-18
• 1.2.1 传统微弯曲成形技术13-14
• 1.2.2 软模微弯曲成形技术14-16
• 1.2.3 激光冲击动态加载软模微弯曲成形技术16-18
• 1.3 微塑性成形尺寸效应研究现状18-20
• 1.4 本课题的提出、主要内容及意义、来源20-24
• 1.4.1 本课题的提出20-22
• 1.4.2 本课题的主要内容及意义22-23
• 1.4.3 课题来源23-24
• 第二章 金属箔板微弯曲成形理论研究24-39
• 2.1 金属塑性变形机制24-26
• 2.1.1 晶内变形机制24-26
• 2.1.2 晶间变形机制26
• 2.2 微塑性流动应力模型26-32
• 2.2.1 Hall-Petch模型27-28
• 2.2.2 表面层模型28-29
• 2.2.3 复合模型29-30
• 2.2.4 应变梯度硬化模型30-32
• 2.3 激光冲击动态加载软模微弯曲成形理论研究32-38
• 2.3.1 激光与物质的相互作用及其力学模型33-35
• 2.3.2 激光冲击动态加载软模加载试样35-36
• 2.3.3 激光冲击动态加载高应变率塑性变形36-38
• 2.4 小结38-39
• 第三章 铜箔微弯曲实验平台搭建39-49
• 3.1 实验准备39-44
• 3.1.1 试样制备及热处理39-42
• 3.1.2 微模具设计与制造42-44
• 3.2 准静态加载软模微弯曲实验平台44-45
• 3.2.1 准静态加载软模微弯曲实验原理44-45
• 3.2.2 准静态软模微弯曲实验设计45
• 3.3 激光冲击动态加载软模微弯曲实验平台45-47
• 3.3.1 激光冲击动态加载软模微弯曲实验原理45-47
• 3.3.2 激光冲击动态加载软模微弯曲实验设计47
• 3.4 本章小结47-49
• 第四章 铜箔微弯曲尺寸效应实验研究49-71
• 4.1 成形深度尺寸效应研究49-52
• 4.2 形变均匀性尺寸效应研究52-59
• 4.2.1 表面粗糙度尺寸效应研究53-56
• 4.2.2 截面减薄率尺寸效应研究56-59
• 4.3 显微硬度尺寸效应研究59-65
• 4.3.1 尺寸效应对显微硬度的影响60-62
• 4.3.2 激光冲击动态加载对显微硬度的影响62-64
• 4.3.3 塑性形变对显微硬度的影响64-65
• 4.4 成形能力尺寸效应研究65-69
• 4.4.1 准静态加载对成形能力的影响65-68
• 4.4.2 激光冲击动态加载对成形能力的影响68-69
• 4.5 本章小结69-71
• 第五章 铜箔微弯曲数值模拟研究71-80
• 5.1 分析方法71-72
• 5.2 材料本构模型72-75
• 5.2.1 准静态加载中铜箔、模具本构模型72-73
• 5.2.2 激光冲击动态加载铜箔本构模型73-74
• 5.2.3 软模材料本构模型74-75
• 5.3 数值模拟结果分析75-79
• 5.3.1 成形深度分析75-76
• 5.3.2 等效塑性应变分布76-78
• 5.3.3 等效塑性应变率分布78-79
• 5.4 本章小结79-80
• 第六章 准静态微弯曲尺寸效应数值模拟研究80-96
• 6.1 分析方法80-81
• 6.2 铜箔本构模型81-83
• 6.3 几何模型及边界条件83-87
• 6.3.1 晶粒结构几何模型83-86
• 6.3.2 边界条件86-87
• 6.4 数值模拟结果分析87-95
• 6.4.1 晶界强化行为87-89
• 6.4.2 等效塑性应变与应力分布89-91
• 6.4.3 晶粒尺寸对成形深度影响91-92
• 6.4.4 晶粒尺寸对表面粗糙度影响92-95
• 6.5 本章小结95-96
• 第七章 总结与展望96-99
• 7.1 研究内容总结96-97
• 7.2 展望97-99
• 参考文献99-106
• 攻读硕士期间发表的论文106-107
• 致谢107

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本文编号：823120