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(bào)道。本文在常規(guī)拉伸實(shí)驗(yàn)設(shè)備的基礎(chǔ)上，通過設(shè)計(jì)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

0? 引言

產(chǎn)品微型化對(duì)零件的加工提出了更高的要求，進(jìn)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(duì)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(dòng)，會(huì)使得金屬材料的力學(xué)性能發(fā)生改變，如屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、流動(dòng)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(gè)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(shí)驗(yàn)設(shè)備的基礎(chǔ)上，通過設(shè)計(jì)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(jì)

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

拉伸試驗(yàn)機(jī)所帶的夾持裝置不能與設(shè)計(jì)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(dòng)的，因此，在設(shè)計(jì)底部夾具時(shí)也需要足夠靈活。制作底部夾具的材料為鋼板，具體設(shè)計(jì)如圖2所示，最下面鋼板可以旋轉(zhuǎn)定位，中間鋼板可以水平移動(dòng)定位。

通過測(cè)量超聲拉伸裝置不同檔位的幅值，測(cè)得超聲頭端面幅值如表1所示。

2? 拉伸試樣制備

2.1 熱處理

實(shí)驗(yàn)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0.1 mm。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(gè)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(dòng)對(duì)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(duì)T2紫銅薄板進(jìn)行不同溫度的退火處理。T2紫銅薄板退火處理的升溫時(shí)間和保溫時(shí)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。

2.2 試樣制備

本實(shí)驗(yàn)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(shí)均不方便，故制備拉伸試樣時(shí)，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。

3? 超聲微拉伸實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

利用設(shè)計(jì)好的超聲拉伸裝置進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，拉伸試樣夾持前，需對(duì)超聲拉伸裝置進(jìn)行調(diào)試，使得超聲拉伸裝置和底部夾具夾持拉伸試樣時(shí)在同一平面，調(diào)試完成后，對(duì)厚度0.1mm的T2紫銅薄板進(jìn)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(shí)驗(yàn)3～5次，完成超聲微拉伸實(shí)驗(yàn)。圖4是超聲微拉伸實(shí)驗(yàn)圖。

3.1 超聲微拉伸力學(xué)性能分析

對(duì)T2紫銅薄板拉伸試樣施加不同振幅的超聲振動(dòng)，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(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度相對(duì)于不加超聲而言，都有不同程度的降低，但超聲振動(dòng)對(duì)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(duì)同一厚度/晶粒尺寸比力學(xué)性能的影響

在對(duì)T2紫銅薄板進(jìn)行超聲微拉伸實(shí)驗(yàn)的過程中，發(fā)現(xiàn)了超聲振動(dòng)對(duì)T2紫銅薄板的“軟化效應(yīng)”和“硬化效應(yīng)”。在對(duì)厚度/晶粒尺寸比為28.6的T2紫銅薄板拉伸試樣進(jìn)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(shí)驗(yàn)結(jié)果有所不同，宏觀超聲拉伸實(shí)驗(yàn)中，變形抗力的減小與超聲振幅成正相關(guān)，即大振幅會(huì)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(duì)于厚度/晶粒尺寸比為28.6的T2紫銅薄板，存在一個(gè)超聲振動(dòng)幅值低于3.2μm，在超聲的作用下變形抗力降低量最大，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(gè)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。

圖6是超聲微拉伸實(shí)驗(yàn)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(dòng)、90s后超聲振動(dòng)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(gè)最低值，到達(dá)最低值馬上回升到一個(gè)相較于無超聲拉伸小的值，然后進(jìn)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(gè)急劇下降，然后回升，回到一個(gè)比施加縱向超聲更大的值后進(jìn)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(shí)驗(yàn)曲線進(jìn)行對(duì)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(dòng)的瞬間，應(yīng)力出現(xiàn)急劇變化，可以認(rèn)為是超聲振動(dòng)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(duì)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(qiáng)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(dòng)，得到的抗拉強(qiáng)度如圖7所示，抗拉強(qiáng)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(shí)最大。將無超聲時(shí)的抗拉強(qiáng)度和振幅3.02μm的抗拉強(qiáng)度相減，得到差值，即抗拉強(qiáng)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(shí)，抗拉強(qiáng)度降低量最大。

出現(xiàn)這種情況的原因是因?yàn)閷?duì)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(dòng)作用下，由于晶粒尺寸太大，晶粒的位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)受到限制，不利于材料的變形，從而使得T2紫銅薄板抗拉強(qiáng)度的值較小;而對(duì)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(cuò)運(yùn)動(dòng)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(qiáng)度的值小。對(duì)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(cuò)運(yùn)動(dòng)纏結(jié)和塞積的現(xiàn)象少，從而抗拉強(qiáng)度更大。

4? 結(jié)論

目前為止，超聲振動(dòng)應(yīng)用于金屬薄板微拉伸實(shí)驗(yàn)力學(xué)性能研究的還很少見，本文通過對(duì)T2紫銅薄板微拉伸實(shí)驗(yàn)施加不同振幅的超聲振動(dòng)，研究了不同振幅的超聲振動(dòng)對(duì)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(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度相對(duì)于不加超聲而言，都有不同程度的降低，但超聲振動(dòng)對(duì)不同厚度/晶粒尺寸比的影響各有不同;超聲振動(dòng)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(shí)，降低幅度最大，在5.58μm時(shí)，降低幅度最小。

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