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有關(guān)T2紫銅薄板超聲微拉伸試驗研究

發(fā)布時間:2021-03-25點擊:2802

摘要:宏觀大尺寸金屬板料制件成形過程中,利用超聲來降低坯料與模具間的摩擦,提高板料成形極限,已獲得廣泛應(yīng)用。而在微成形中,將超聲應(yīng)用于金屬薄板的成形,目前還少有報道。本文在常規(guī)拉伸實驗設(shè)備的基礎(chǔ)上,通過設(shè)計適合的超聲裝置,將超聲附加到T2紫銅薄板上,以獲得超聲環(huán)境下金屬薄板的力學(xué)性能。

關(guān)鍵詞:超聲;T2紫銅薄板;力學(xué)性能;微拉伸  作者:顧曉猛

1、引言

產(chǎn)品微型化對零件的加工提出了更高的要求,進入二十一世紀(jì)后,微制件的研究和應(yīng)用發(fā)展迅速。金屬薄板微成形是制造微制件的一種重要加工方式,微成形材料的基礎(chǔ)力學(xué)性能,對微沖壓件成形工藝方法的選擇和工藝參數(shù)的制定具有重要的影響。金屬材料塑性成形過程中,施加不同方向、不同振幅的超聲振動,會使得金屬材料的力學(xué)性能發(fā)生改變,如屈服強度、抗拉強度、流動應(yīng)力和變形抗力降低,材料的加工質(zhì)量提高等。微成形材料在超聲環(huán)境下的變形規(guī)律及力學(xué)性能參數(shù),是一個重要的研究課題,但這方面的研究和公開的技術(shù)成果目前并不多見。本文在常規(guī)拉伸實驗設(shè)備的基礎(chǔ)上,通過設(shè)計適合的超聲裝置,將超聲附加到T2紫銅薄板上,以獲得超聲環(huán)境下金屬薄板的力學(xué)性能。

1超聲拉伸裝置設(shè)計

超聲拉伸實驗中,拉伸試樣需夾持在超聲頭上,以將超聲振動附加到拉伸試樣上。本文設(shè)計了一臺超聲拉伸裝置,其額定功率為1kW,頻率為20kHz,振幅三檔可調(diào)?;窘Y(jié)構(gòu)如圖1所示。

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拉伸試驗機所帶的夾持裝置不能與設(shè)計的超聲拉伸裝置配合使用,需要設(shè)置一套新的底部夾具,來夾持拉伸試樣另一端。超聲拉伸裝置的超聲頭是可以轉(zhuǎn)動的,因此,在設(shè)計底部夾具時也需要足夠靈活。制作底部夾具的材料為鋼板,具體設(shè)計如圖2所示,***下面鋼板可以旋轉(zhuǎn)定位,中間鋼板可以水平移動定位。

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通過測量超聲拉伸裝置不同檔位的幅值,測得超聲頭端面幅值如表1所示。

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2、拉伸試樣制備

2.1熱處理

實驗選用T2紫銅薄板作為試樣材料,其交貨狀態(tài)為軋制態(tài),厚度為0.1mm。在金屬薄板的研究中,厚度/晶粒尺寸比是影響金屬薄板力學(xué)性能的一個重要參數(shù)。本文以厚度/晶粒尺寸比作為基本參數(shù),來研究不同振幅的超聲振動對T2紫銅薄板力學(xué)性能的影響。為獲得多組不同厚度/晶粒尺寸比的T2紫銅薄板,需要對T2紫銅薄板進行不同溫度的退火處理。T2紫銅薄板退火處理的升溫時間和保溫時間如表2所示,冷卻方式采用隨爐冷卻。得到的厚度/晶粒比如表3所示。

 

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2.2試樣制備

本實驗中,T2紫銅薄板較薄,剛度不夠,單片電火花線切割在夾持和切削時均不方便,故制備拉伸試樣時,將數(shù)層T2紫銅薄板疊加夾持切割。電火花線切割后的拉伸試樣,表面與邊緣附著大量的污垢,需用酒精溶液清洗、晾干。圖3為電火花線切割的拉伸試樣和剩下的廢料。

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3、超聲微拉伸實驗結(jié)果及分析

利用設(shè)計好的超聲拉伸裝置進行實驗,拉伸試樣夾持前,需對超聲拉伸裝置進行調(diào)試,使得超聲拉伸裝置和底部夾具夾持拉伸試樣時在同一平面,調(diào)試完成后,對厚度0.1mm的T2紫銅薄板進行拉伸試樣,不同厚度/晶粒尺寸比、不同超聲振幅條件下,各重復(fù)實驗3~5次,完成超聲微拉伸實驗。

3.1超聲微拉伸力學(xué)性能分析

T2紫銅薄板拉伸試樣施加不同振幅的超聲振動,得到不同厚度/晶粒尺寸比的力學(xué)性能參數(shù)分別如表4、表5所示。從表4、表5可以看出,施加超聲使得T2紫銅薄板的屈服強度、抗拉強度相對于不加超聲而言,都有不同程度的降低,但超聲振動對不同厚度/晶粒尺寸比的影響各有不同。

3.2不同超聲振幅對同一厚度/晶粒尺寸比力學(xué)性能

的影響在對T2紫銅薄板進行超聲微拉伸實驗的過程中,發(fā)現(xiàn)了超聲振動對T2紫銅薄板的“軟化效應(yīng)”和“硬化效應(yīng)”。在對厚度/晶粒尺寸比為28.6的T2紫銅薄板拉伸試樣進行超聲拉伸得到了圖5所示的工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線。從圖5很明顯的可以看出,在施加縱向超聲后,T2紫銅薄板的變形抗力都有所降低,即出現(xiàn)了超聲“軟化效應(yīng)”,但與宏觀超聲拉伸實驗結(jié)果有所不同,宏觀超聲拉伸

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實驗中,變形抗力的減小與超聲振幅成正相關(guān),即大振幅會使變形抗力降低量更大。圖5所示的曲線中,變形抗力降低量隨著超聲振幅的增大反而在減小,即超聲振幅為5.58μm比超聲振幅為3.02μm的變形抗力降低量要小。出現(xiàn)這樣的情況可能的原因:對于厚度/晶粒尺寸比為28.6的T2紫銅薄板,存在一個超聲振動幅值低于3.2μm,在超聲的作用下變形抗力降低量***大,而后隨著超聲振幅的增大,變形抗力的降低量越來越小,直至到達(dá)一個臨界值,隨著超聲振幅的繼續(xù)增大,降低量不產(chǎn)生變化。臨界值低于無超聲微拉伸得到的變形抗力。

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6是超聲微拉伸實驗過程中,先是無超聲拉伸、彈性階段后施加振幅為3.02μm的超聲振動、90s后超聲振動撤銷得到的曲線,從圖6中可以發(fā)現(xiàn),施加縱向超聲的瞬間,應(yīng)力出現(xiàn)了急劇的下降,到達(dá)一個***低值,到達(dá)***低值馬上回升到一個相較于無超聲拉伸小的值,然后進入縱向超聲微拉伸階段,縱向超聲撤銷,應(yīng)力也出現(xiàn)一個急劇下降,然后回升,回到一個比施加縱向超聲更大的值后進入穩(wěn)定階段。通過與厚度/晶粒尺寸比為28.6的無超聲縱向微拉伸和超聲振幅3.02μm的縱向超聲微拉伸實驗曲線進行對比,兩種曲線分別與圖6中曲線的一部分相吻合。在施加和撤銷超聲振動的瞬間,應(yīng)力出現(xiàn)急劇變化,可以認(rèn)為是超聲振動產(chǎn)生的力和拉伸力二者“應(yīng)力疊加”的作用,使得T2紫銅薄板出現(xiàn)了“軟化效應(yīng)”。

3.3同一超聲振幅對不同厚度/晶粒尺寸比力學(xué)性能的影響

在無超聲條件下,T2紫銅薄板的抗拉強度隨著厚度/晶粒尺寸比的增大而增大,但施加振幅3.02μm的超聲振動,得到的抗拉強度如圖7所示,抗拉強度并不隨著厚度/晶粒尺寸比的增大而增大,而是在厚度/晶粒尺寸比為8.1時***大。將無超聲時的抗拉強度和振幅3.02μm的抗拉強度相減,得到差值,即抗拉強度降低量??梢院苊黠@的看出,施加3.02μm的縱向超聲,厚度/晶粒尺寸比為8.1時,抗拉強度降低量***大。

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出現(xiàn)這種情況的原因是因為對于厚度/晶粒尺寸比小于8.1的T2紫銅薄板,在振幅為3.02μm的超聲振動作用下,由于晶粒尺寸太大,晶粒的位錯運動受到***,不利于材料的變形,從而使得T2紫銅薄板抗拉強度的值較??;而對于厚度/晶粒尺寸比大于8.1的T2紫銅薄板,由于晶粒尺寸比較小,在超聲的作用下,晶粒過于活躍,位錯運動多而雜,由于無方向性,出現(xiàn)大量纏結(jié)和塞積,也使得T2紫銅薄板變形不易,導(dǎo)致抗拉強度的值小。對于厚度/晶粒尺寸比為8.1的T2紫銅薄板,晶粒數(shù)目合適,超聲作用下,位錯運動纏結(jié)和塞積的現(xiàn)象少,從而抗拉強度更大。

4、結(jié)論

目前為止,超聲振動應(yīng)用于金屬薄板微拉伸實驗力學(xué)性能研究的還很少見,本文通過對T2紫銅薄板微拉伸實驗施加不同振幅的超聲振動,研究了不同振幅的超聲振動對T2紫銅薄板力學(xué)性能的影響。施加超聲使得T2紫銅薄板的屈服強度、抗拉強度相對于不加超聲而言,都有不同程度的降低,但超聲振動對不同厚度/晶粒尺寸比的影響各有不同;超聲振動的施加,使得T2紫銅薄板的變形抗力降低,降低幅度并不隨著超聲振幅的增大而增大,反而在超聲振幅為3.02μm時,降低幅度***大,在5.58μm時,降低幅度***小。

來源:中國知網(wǎng)  作者:顧曉猛

 


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