低频振动模式下紫铜压缩变形行为及尺寸效应.pdf

第4 2卷第8期V o i. 4 2 N o . 8F O R G IN G & S T A M p IN G T E C H N O L O G Y2 0 1 7年8月A u g . 2 0 1 7XXXX材料与成形性能低频振动模式下紫铜压缩变形行为及尺寸效应李 盼G21王新云G21张 茂G21邓 磊G21金俊松G21夏巨谌(华中科技大学材料成形与模具技术国家重点实验室,湖北武汉4 3 0 0 7 4 >摘要G21通过改变低频振动加载条件,研究了振幅( 0 . 0 1 , 0 . 0 5和0 . 1 m m > ~频率( 1 0 , 2 0和3 0 H z > ~进给速率( 0 . 0 1 , 0 . 0 5和0 . 1 m m ~ s- 1>和试样尺寸( 1 , 2和 3 m m >对T 2紫铜室温压缩变形行为的影响:实验结果表明,振幅对紫铜压缩变形过程的影响最为显著,随着振幅增加,成形载荷呈现较大幅度的降低3不同尺寸试样的实验结果表明,低频振动加载模式下存在明显的尺寸效应,随着试样尺寸减小,成形载荷降幅增大,晶粒尺寸减小:分析认为,振动条件下的变形为动态加载变形,应力的叠加使得内应力提高,并导致所需成形载荷降低:大振幅和小尺寸条件下,实际应变速率更大,能够产生更强的应力叠加,造成成形载荷降幅较大:关键词G21低频振动3压缩变形3 T 2紫铜3尺寸效应3应力叠加3晶粒细化D O I : 1 0 . 1 3 3 3 0 / j. is s n . 1 0 0 0 -3 9 4 0 . 2 0 1 7 . 0 8 . 0 2 7中图分类号G21 T G 3 1 1 文献标识码G21 A 文章编号G21 1 0 0 0 -3 9 4 0 G22 2 0 1 7 G23 0 8 -0 1 4 0 -0 6C o m p r e s s io n d e fo r m a tio n b e h a v io r a n d s iz e e ffe c t o f c o p p e r u n d e rlo w -fr e g u e n c y v ib r a tio nL i p a n , W a n g x in y u n , Z h a n g m a o , D e n g L e i , J in J u n s o n g , x ia J u c h e n( S ta te k e y L a b o ra to ry o f m a te ria i p ro c e s s in g a n d D ie & m o u id T e c h n o io g y , H u a z h o n g u n iv e rs ity o f S c ie n c e a n d T e c h n o io g y ,W u h a n 4 3 0 0 7 4 , C h in a >A b s tr a c t : T h e in fiu e n c e s o f a m p iitu d e ( 0 . 0 1 , 0 . 0 5 a n d 0 . 1 m m > , fre g u e n c y ( 1 0 , 2 0 a n d 3 0 H z > , fe e d in g ra te ( 0 . 0 1 , 0 . 0 5 a n d0 . 1 m m ~ s- 1> a n d s p e c im e n s iz e ( 1 , 2 a n d 3 m m > o n th e ro o m - te m p e ra tu re c o m p re s s io n d e fo rm a tio n b e h a v io r o f c o p p e r T 2 w e ree x p e rim e n ta iiy in v e s tig a te d b y c h a n g in g io w - fre g u e n c y v ib ra tio n io a d in g . T h e re s u its re v e a i th a t th e v ib ra tio n a m p iitu d e p ia y s th e m o s ts ig n ific a n t ro ie in th e c o m p re s s io n d e fo rm a tio n o f c o p p e r , a n d th e fo rm in g io a d is e ffe c tiv e iy re d u c e d w ith th e in c re a s e o f v ib ra tio n a m p ii-tu d e . it a is o s h o w s s tro n g e v id e n c e o f s iz e e ffe c ts d u rin g io w - fre g u e n c y v ib ra tio n io a d in g b y e x p e rim e n t o f d iffe re n t s p e c im e n s iz e s . T h es m a iie r th e s a m p ie s iz e is , th e g re a te r th e fo rm in g io a d re d u c e s a n d th e s m a iie r th e g ra in s iz e is . it is c o n c iu d e d th a t th e d e fo rm a tio n u n d e rv ib ra tio n c o n d itio n is d y n a m ic io a d in g , a n d th e s u p e rp o s itio n o f s tre s s ie a d s to th e in c re a s e o f in te rn a i s tre s s a n d th e re d u c tio n o f re g u ire dfo rm in g io a d . u n d e r th e c o n d itio n o f ia rg e a m p iitu d e o r s m a ii s iz e , th e a c tu a i s tra in ra te b e c o m e s g re a te r , w h ic h e n h a n c e s th e s u p e rp o s i-tio n o f s tre s s a n d re d u c e s fo rm in g io a d g re a tiy .K e y w o r d s : v ib ra tio n w ith io w fre g u e n c y 3 c o m p re s s io n d e fo rm a tio n 3 c o p p e r T 2 3 s iz e e ffe c t 3 s u p e rp o s itio n o f s tre s s 3 g ra in re fin e m e n t收稿日期G21 2 0 1 7 - 0 3 - 0 7 3修订日期G21 2 0 1 7 - 0 5 - 1 2基金项目G21国家自然科学基金资助项目( 5 1 1 7 5 2 0 2 > 3湖北省科技支撑计划项目( 2 0 1 5 B A A 0 1 9 > 3深圳市基础研究计划项目( 2 0 1 6 0 5 3 1 3 0 0 1 1 6 9 >作者简介G21李 盼( 1 9 9 3 - > ,女,硕士研究生E -m a il : iip a n ip @ h u s t. e d u . c n通讯作者G21邓 磊( 1 9 8 2 - > ,男,博士,讲师E -m a il : d e n g ie i@ h u s t. e d u . c n近年来,随着微成形零件复杂程度的不断提高,材料介观尺度非均匀性~充填流动性能差以及接触摩擦力大等问题对微成形工艺的限制愈加明显[ 1 ]:新型复合成形工艺如振动辅助成形[ 2 - 3 ],因能改善材料成形性能而受到广泛关注:振动对塑性变形影响的研究可追溯到1 9 5 5年,奥地利的B ia h a F和L a n g e n e c k e r B将超声波施加到单晶锌试样静态拉伸过程后,发现了材料屈服应力和流动应力降低的现象[ 4 ]:近些年, L iu Y等通过超声波镦锻实验,观察超声波辅助压缩后金属的内部显微组织,证明了超声具有细化晶粒的作用[ 5 ]: H u n g J C等研究了超声波辅助微镦锻成形中试样及晶粒尺寸效应,发现流动应力减小的程度随着试样尺寸的减小更加明显,且试样尺寸对流动应力减小的影响大于晶粒尺寸[ 6 ]:多数研究认为超声振动造成的载荷降低主要取决于振幅[ 7 - 9 ],但在超声加载过程中,振幅的大小万方数据受到超声发生器功率的限制1 0 ],且随着成形载荷的增大易发生衰减,导致其降载效果难以保持稳定O当前伺服控制技术的发展,使伺服压力设备产生大功率低频振动载荷成为可能,且可根据需求设定任意振动波形1 1 - 1 2 ],精准控制加载过程中的振幅与频率,工业应用范围更广O L y R等在下模叠加振动,振动幅度范围为0 ~ 8 0 - m ,振动频率为1 ~ 1 3 0 H z ,实验结果表明,低频振动也能引起成形载荷降低,高频率并非载荷降低的必要条件1 3 ]O但目前关于低频振动参数及试样尺寸对材料变形行为和微观组织的影响规律鲜有研究O本文通过对不同尺寸的T 2紫铜试样进行有/无振动条件下的压缩变形,研究了低频振动参数和试样尺寸对成形载荷和晶粒尺寸的影响规律,并基于应力叠加理论分析振动对载荷和微观组织的影响机理O1 低频振动辅助压缩实验低频振动辅助压缩实验在图1所示的微成形机上进行O该设备主要由伺服电机~压力机框架~行程控制模块~温度控制模块及操纵手柄组成,并与计算机相连,通过控制软件设置参数和采集数据O由于该设备的伺服电机最快能在1 m s内加速到1 6 m m - s- 1,可以实现0 ~ 5 0 H z范围内的振动加载O图1 微成形机F ig . 1 m ic ro fo rm in g m a c h in e实验所用试样材料为T 2紫铜棒材O压缩前对材料进行均匀化退火,随炉加热至7 0 0 C ,保温2 4 h ,然后炉冷O退火后的晶粒尺寸约为5 0 - m ,金相组织如图2 a所示O对退火后的材料进行精密切削加工,制成直径分别为O 1 , O 2和O 3 m m ~高径比1 = 1 . 5的圆柱试样O压缩前后的试样如图2 b所示O实验时,在室温条件下使用平面模具对试样进行自由镦粗,压缩变形量为5 0 % O对于不同尺寸的试样,进行无振动压缩和低频振动压缩实验,并改图2 T 2紫铜试样的初始晶粒组织( a >和压缩前后的试样( b >F ig . 2 O rig in m e ta iio g ra p h ic s tru c tu re o f c o p p e r T 2 s p e c im e n s ( a > a n ds p e c im e n s b e fo re a n d a fte r c o m p re s s io n ( b >变振幅( 0 . 0 1 , 0 . 0 5和0 . 1 m m > ~频率( 1 0 , 2 0和3 0 H z >及进给速率( 0 . 0 1 , 0 . 0 5和0 . 1 m m - s- 1>等参数,研究振动条件对T 2紫铜压缩变形行为的影响O材料变形载荷由压力传感器测得,并实时传输至压力机监测软件系统O为研究振动对T 2紫铜内部组织结构的影响,对试样轴向截面进行切割~打磨~抛光,采用配比为三氯化铁5 9 g ~盐酸2 m i ~无水乙醇5 9 6 m i的腐蚀溶液进行腐蚀O在O iy m p u s B x - 6 1金相显微镜下进行观察,得到截面中轴线近上端面1 /3处的金相组织图O为从更微观的角度研究振动对紫铜内部结构影响的机理,采用T ita n G 2 6 0 - 3 0 0透射电镜( T E m >对有~无振动压缩后试样进行T E m观察实验,取样位置同为截面中轴线近上端面1 /3处O2 实验结果2 . 1 振幅对载荷的影响压缩过程中,成形载荷随压缩变形量不断增大,取成形终点的峰值载荷作为比较对象O无振动和频率为1 0 H z ~进给速率为0 . 0 5 m m - s- 1~振幅分别为0 . 0 1 , 0 . 0 5和0 . 1 m m时的压缩峰值载荷如图3所示O可以看出,在施加低频振动后,试样的峰值载荷出现了不同程度的降低O振幅较小为0 . 0 1 m m141第8期李 盼等:低频振动模式下紫铜压缩变形行为及尺寸效应 万方数据时9成形峰值载荷与无振动压缩时较为接近9均为1 . 6 k N左右0当振幅增大到0 . 1 m m时9成形载荷显著降低9峰值载荷降为1 . 0 3 k N 9降幅达3 6 % 0表明随着振幅的增大9成形载荷显著减小0图3 不同振幅时的峰值载荷F ig . 3 T h e m a x im u m io a d v a iu e s u n d e r d iffe re n t v ib ra tio n a m p iitu d e s2 . 2 频率对载荷的影响无振动和振幅为0 . 0 1 m m \进给速率为0 . 0 5 m m s- 1\频率分别为1 0 9 2 0和3 0 H z时的压缩峰值载荷如图4所示0可以发现9不同频率下9成形载荷差异不大9峰值载荷均为1 . 6 k N左右9波动范围不超过1 . 8 % 0表明该低频振动模式下9增大频率对成形载荷的影响较小0图4 不同频率时的峰值载荷F ig . 4 T h e m a x im u m io a d v a iu e s u n d e r d iffe re n t v ib ra tio n fre g u e n c ie s2 . 3 进给速率对载荷的影响振幅为0 . 0 1 m m \频率为1 0 H z \进给速率分别为0 . 0 1 9 0 . 0 5和0 . 1 m m s- 1时的压缩峰值载荷如图5所示0可以看出9不同进给速率时9峰值载荷也保持在1 . 6 k N左右9波动范围在3 %以内0表明改变压缩变形过程中的进给速率对成形载荷的影响不大02 . 4 尺寸对载荷的影响频率为1 0 H z \进给速率为0 . 0 5 m m s- 1时9图5 不同进给速率时的峰值载荷F ig . 5 T h e m a x im u m io a d v a iu e s u n d e r d iffe re n t fe e d in g ra te c o n d itio n s不同尺寸试样在不同振幅下压缩的行程-载荷曲线如图6所示0其中9图6 a \图6 b \图6 c分别为直径 1 9 2和 3 m m尺寸试样在不同振幅下的压缩行程-载荷曲线9图6 d为3种试样尺寸在不同振幅下与无振动压缩对比的峰值载荷降幅图9其峰值载荷降幅为Fm a x无- Fm a x振Fm a x无> 1 0 0 % 0可以看出9随着振幅的增大9不同尺寸试样的成形载荷均有所降低9但振幅相同时9试样尺寸不同9成形载荷存在较大差异0当试样尺寸较小时9如直径为 1 m m的试样9其峰值载荷降幅超过6 0 % 9远高于其他尺寸试样0由此可见9低频振动对紫铜压缩成形载荷的影响存在尺寸效应9且随试样尺寸的减小9成形载荷降幅呈现增大趋势02 . 5 微观组织压缩后试样轴向截面的晶粒组织如图7所示0取样位置均为截面中轴线近上端面1 /3处0图7 a为无振动\恒定进给速率为0 . 0 5 m m s- 1时9直径为2 m m的试样压缩后的金相组织0采用截线法统计得到的晶粒尺寸为4 1 - m 0图7 b \图7 c \图7 d为振幅为0 . 1 m m \频率为1 0 H z \进给速率为0 . 0 5 m m s- 1时9直径分别为 3 9 2和 1 m m的试样金相组织0晶粒尺寸分别为3 7 9 2 5和2 0 - m 0对比图7 a与图7 c的金相形貌及晶粒尺寸可以发现9试样尺寸相同时9低频振动与无振动压缩成形试样相比9内部晶粒出现了细化现象0而从图7 b \图7 c \图7 d的晶粒组织变化可以看出9在相同的振动加载条件下9随试样尺寸减小9晶粒尺寸进一步减小9表明尺寸对试样微观组织存在一定影响03 分析与讨论振动压缩实验过程中9由于加载时间非常短241锻 压 技 术 第4 2卷万方数据图6 试样直径分别为 1 m m ( a > 2 m m ( b >和 3 m m ( c >时的行程-载荷曲线及其峰值载荷降幅图( d >F ig . 6 D isp ia c e m e n t-io a d c u rv e s o f sp e c im e n s w ith d ia m e te rs o f 1 m m ( a > 2 m m ( b > a n d 3 m m ( c > a n d th e ir d e c iin e p e rc e n ta g e o f th e m a x im u m io a d ( d >图7 进给速率为0 . 0 5 m m ~ s- 1时不同试样在不同压缩条件下的金相组织( a >无振动 试样直径为 2 m m ( b >振幅为0 . 1 m m 频率为1 0 H z 试样直径为 3 m m ( c >振幅为0 . 1 m m 频率为1 0 H z 试样直径为 2 m m ( d >振幅为0 . 1 m m 频率为1 0 H z 试样直径为 1 m mF ig . 7 m e ta iio g ra p h ic s tru c tu re s o f s p e c im e n s u n d e r d iffe re n t c o m p re s s io n c o n d itio n s w ith fe e d in g s p e e d o f 0 . 0 5 m m ~ s- 1( a > W ith o u t v ib ra tio n s p e c im e n d ia m e te r o f 2 m m ( b > A m p iitu d e o f 0 . 1 m m fre g u e n c y o f 1 0 H z s p e c im e n d ia m e te r o f 3 m m ( c > A m p iitu d e o f0 . 1 m m fre g u e n c y o f 1 0 H z s p e c im e n d ia m e te r o f 2 m m ( d > A m p iitu d e o f 0 . 1 m m fre g u e n c y o f 1 0 H z s p e c im e n d ia m e te r o f 1 m m341第8期李 盼等 低频振动模式下紫铜压缩变形行为及尺寸效应 万方数据(应变速率为1 ~ 1 0 s- 1) ,按静力平衡(应变速率为1 0- 5~ 1 0- 1s- 1)理论,不足以描述物体内部的受力情形,需采用冲击动力学分析:在振动冲击加载瞬间,试样受力表面会产生应力波,其一维应力波动方程为[ 1 4 ]:82O8 t2- C2 82O8 X2= 0 ( 1 )式中: t为时间3 X为应力波前沿在传播方向的坐标3 O为应力3 C为波速:超过弹性极限的应力波在试样内部传播时,会分解为弹性波和塑性波,弹性波波速Ce为:Ce= E / p槡0( 2 )式中: E为弹性模量3 p0为变形前材料密度:塑性波波速Cp为:Cp=d O / d SpC J01 /2=pC J01 /2( 3 )图8 无振动压缩( a )和振幅为0 . 1 m m ~频率为1 0 H z振动压缩( b )后试样的T E m照片F ig . 8 T E m im a g e s o f s p e c im e n s w ith o u t v ib ra tio n c o m p re s s io n ( a ) a n d w ith v ib ra tio n c o m p re s s io n o f v ib ra tio n a m p iitu d e o f0 . 1 m m a n d fre g u e n c y o f 1 0 H z ( b )式中: S为应变3 为加工硬化率:弹性波传播速度快于塑性波,先到达试样下端面,发生反射3随后向上的反射波与塑性波相遇,叠加成为两道强度大小相同~传播方向相反的塑性加载波,随即向下的塑性加载波到达下端面,发生二次反射,转变为更强的上传塑性波[ 1 5 ]:叠加后应力Ox可以表示为:Ox= 2 Om-1 -CpCC JeRe L( 4 )式中: Om为初始应力波的强度3 Re L为材料屈服强度:由公式( 4 )可知,在振动冲击加载条件下,应力波在试样内部反射叠加后,强度最大可达到初始应力波Om的2倍:因此,相较于无振动压缩,达到同样变形量所需的成形载荷更低:对实验过程中上模的运动进行分析,得到振幅A ~频率f和进给速率VF与上模加载瞬时冲击速度Vp的关系如下:Vp=4 A1f- 2 ta+VF1 - 2 f ta( 5 )式中: ta为常数,取0 . 0 0 1 s :由式( 5 )可知, A的比例系数4 / ( 1 / f - 2 ta)与VF的1 / ( 1 - 2 fta)相比,大1个数量级,同理,也可发现f的权重也小于A ,即A对Vp的影响最大:随着A增加, Vp明显变大,造成应变速率增大,加工硬化率 也随之增加[ 1 6 ]:值的增加将引起Cp值变大,导致叠加后应力Ox增大,使得变形所需成形载荷减小:此外,在相同振动加载条件下,材料压缩变形的冲击速度相同,随试样尺寸的减小,应变速率增大,同理会导致Ox增大,加剧了应力叠加的降载效应:直径为 2 m m试样的T E m实验结果如图8所示:其中,图8 a为无振动~恒定进给速率0 . 0 5 m m ' s- 1时压缩后试样的T E m照片3图8 b为振幅0 . 1 m m ~频率1 0 H z ~进给速率0 . 0 5 m m ' s- 1时压缩后试样的T E m照片:可以看出,低频振动条件下,晶粒内部位错密集区域(线圈处)较无振动条件分布更广,且位错密度较高:这是由于振动加载条件向试样中引入了循环变化的应力,当交变应力在晶体材料内传播时会促进位错的运动,这将有利于位错密度的增加[ 1 7 ]:在加载阶段,应力不断增大,当试样所受应力大于紫铜的屈服强度Re L时,晶粒中的F - R位错源被启动[ 1 8 ],位错数量迅速增加直至出现位错积塞,进入暂态局部应力平衡:卸载阶段,应力迅速减小,导致晶粒内形成的位错塞积441锻 压 技 术 第4 2卷万方数据群的力学平衡状态被打破,部分没钉扎的位错将发生反向移动,并在移动过程中与其他位错交割成为新的F - R位错源,导致位错持续增殖,且分布趋向均匀化,最终形成较细的晶粒组织O同时,由于试样尺寸越小,应变速率越大,导致位错密度进一步增加[ 1 9 ],从而使得晶粒尺寸进一步减小O4 结论( 1 >研究了频率~振幅及进给速率对T 2紫铜压缩变形行为的影响,实验结果表明,在低频范围内振幅的影响最为显著,即随振幅越大,成形载荷降低越明显O( 2 >不同尺寸试样振动压缩实验的结果表明,低频振动加载模式下存在尺寸效应,且试样尺寸越小,相应成形载荷的降幅越大,晶粒尺寸减小O( 3 >低频振动产生的应力叠加造成的内应力提高是导致成形载荷降低的原因O大振幅和小尺寸条件下,实际应变速率更大,能够产生更强的应力叠加,成形载荷降幅增大O参考文献G21[ 1 ] 王春举,郭斌,单德彬,等.高频/超声振动辅助微成形技术研究进展与展望[ J ] .精密成形工程, 2 0 1 5 , ( 3 > : 7 - 1 6 .W a n g C J , G u o B , S h a n D B , e t a i. R e s e a rc h p ro g re s s a n d o u tio o ko f h ig h - fre g u e n c y / u itra s o n ic v ib ra tio n a s s is te d m ic ro fo rm in g [ J ] .J o u rn a i o f N e ts h a p e F o rm in g E n g in e e rin g , 2 0 1 5 , ( 3 > : 7 - 1 6 .[ 2 ] 程涛,刘艳雄,华林.超声波振动辅助精冲成形工艺研究[ J ] .锻压技术, 2 0 1 6 , 4 1 ( 4 > : 2 5 - 3 0 .C h e n g T , L iu Y x , H u a L . R e s e a rc h o n th e te c h n o io g y o f u itra -s o n ic v ib ra tio n a s s is te d fin e b ia n k in g p ro c e s s [ J ] . F o rg in g &S ta m p in g T e c h n o io g y , 2 0 1 6 , 4 1 ( 4 > : 2 5 - 3 0 .[ 3 ] 吴晓,李建军,郑志镇,等.振动场作用下金属塑性成形机理的研究和应用进展[ J ] .塑性工程学报, 2 0 1 5 , 2 2 ( 4 > : 1 - 7 .W u x , L i J J , Z h e n g Z Z , e t a i. R e s e a rc h a n d a p p iic a tio n p ro -g re s s o f m e ta i p ia s tic fo rm in g m e c h a n is m u n d e r v ib ra tio n fie id [ J ] .J o u rn a i o f p ia s tic ity E n g in e e rin g , 2 0 1 5 , 2 2 ( 4 > : 1 - 7 .[ 4 ] B ia h a F , L a n g e n e c k e r B . 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