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      瀏覽:- 發布日期:2021-09-26 14:43:22【

      劉慧慧1,王 欣2,歐陽金棟1,易 龍1,郝傳海1,張 博1

      (1.江西洪都航空工業集團有限責任公司,南昌330024;2.江鈴汽車股份有限公司,南昌 330024)

          摘 要:采用 RGG2000型微機控制電子萬能試驗機,通過微彎曲試驗,研究了 C5210磷青銅薄板的厚度、晶粒尺寸以及彎曲半徑等相關尺寸對其微彎曲回彈的影響.結果表明:C5210磷青銅薄板的厚度、晶粒尺寸和彎曲半徑等對其回彈均有顯著的影響,具有明顯的尺寸效應;薄板的厚度越大,回彈量越小,厚度對回彈量的影響非常顯著;薄板的晶粒尺寸越大,回彈量越小,當晶粒尺寸大于40μm 時,回彈量呈緩慢減小趨勢;回彈量隨著彎曲半徑的增大而增大,而且薄板的厚度越小,增大的趨勢越明顯.

      關鍵詞:尺寸效應;微彎曲;C5210磷青銅;回彈量

      中圖分類號:TG146.2 文獻標志碼:A 文章編號:1000G3738(2017)07G0029G05

      SizeEffectofMicroGbendingSpringGBackforC5210PhosphorBronzeSheet

      LIUHuihui1,WANGXin2,OUYANGJindong

      1,YILong

      1,HAOChuanhai1,ZHANGBo1

      (1.JiangxiHongduAviationIndustryGroupCo.,Ltd.,Nanchang330024,China;

      2.JianglingMotorsCo.,Ltd.,Nanchang330024,China)

      Abstract:MicroGbendingtests wereconducted by RGG2000 microGcomputercontrolelectronicuniversal

      testingmachine.Theinfluenceofthickness,grainsize,bendingradiusofC5210phosphorbronzesheetonmicroG

      bendingspringGbackwasresearched.Resultsshowthatthethickness,grainsize,bendingradiusofC5210phosphor

      bronzesheethadasignificanteffectonthespringGbackandthatshowedanobvioussizeeffect.ThespringGback

      amountdecreasedassheetthicknessincreased,andthicknessaffectedthespringGbackamountobviously.The

      springGbackamountdecreasedwithincreasingofgrainsize,whenthegrainsizewaslargerthan40μm,theamount

      ofspringGbackdecreasedslowly.ThespringGbackamountincreasedasthebendingradiusincreased,andthetrendof

      increasewasmoreobviouswhenthethicknessofsheetwassmaller.

      Keywords:sizeeffect;microGbending;C5210phosphorbronze;spring-backamount


      0 引 言

          彎曲是制造鈑金零件的主要成形方法,彎曲回彈是指當成形力釋放時零件所產生的彈性回復,對零件成形的精度有重要影響.對宏觀尺寸的彎曲成形人們已經進行了廣泛的研究,并且很多方法已經被用來預測金屬板的彎曲回彈,如解析方[1]、有限元數值模擬方法[2G3]、半解析方法[4]以及試驗方法等.對影響回彈的一些主要影響因素如材料的力學性能、模具的幾何形狀及尺寸、成形參數等也已經進行了廣泛的研究[5G6].

           然而,當金屬材料的塑性變形特征尺寸在微米或亞微米量級時,其彎曲過程和宏觀彎曲過程完全不一樣,會體現出強烈的尺寸效應[7],因此宏觀彎曲的很 多 理 論 在 分 析 微 彎 曲 中 就 不 再 適 用 了.

      STOLKEN 等[8]發現,在對鎳薄梁進行彎曲時,當梁的厚度從50μm 下降到12.5μm 時,其彎曲硬化程度顯著提高.張永勝等[9]和馬增玉等[10]分別研究了 陶 瓷 和 鎳 鍍 層 納 米 材 料 的 壓 痕 尺 寸 效 應.GAU 等[11G12]對退火處理的黃銅箔進行三點彎曲試驗后發現:當板厚t不超過350μm 時,傳統的回彈理論已不適用;黃銅箔的回彈量是相對厚度t/d(d為平均晶粒直徑)的函數,隨著t/d 的增大,其回彈量減小.LI等[13G14]研究了微彎曲中不同厚度純鋁箔和 CuZn37黃銅箔的回彈行為,結果表明隨著材料厚度的減小,試樣彎曲回彈角都呈增大趨勢,并提出了 采 用 應 變 梯 度 塑 性 理 論 來 解 釋 這 種 行 為.CHAN 等[15]提出了考慮各向異性影響的應變強化平面應力彎曲模型,研究表明各向異性的影響程度比宏觀成形更為顯著.前面的研究材料主要集中在黃銅、不銹鋼、鎳材、鋁箔等,而對磷青銅的研究則很少涉及到.磷青銅因具有高的強度、良好的塑性、優良的導電性和耐腐蝕性能優點,而被廣泛應用于微機電系統.為了優化磷青銅在微塑性成形中的加工工藝,系統研究磷青銅在微成形過程中表現出的尺寸效應顯得尤為重要.因 此,作 者 以 C5210 磷 青 銅 薄 板 為 試 驗 材料,設計加工了一套薄板微彎曲模具,在微機控制電子萬能試驗機上進行了微彎曲試驗,研究了試驗材料的厚度、晶粒尺寸和彎曲半徑等相關尺寸對其微彎曲回彈的影響規律.

      1 試樣制備與試驗方法

      1.1 試樣制備

          試驗材料為昆山佳輝銅業有限公司提供的軋制C5210磷青銅薄板,厚度分別為50μm,100μm 和250μm,化學成分如表1所示.為了排除供應原材料冷軋加工硬化對試驗結果的影響,試驗前采用在充滿氮氣的環境下對試樣進行熱處理,將三種不同厚度的試樣分別加熱至300,400,500,600,700℃并保溫1h后隨爐冷卻.熱處理后制備金相試樣并進行顯微組織觀察,腐蝕液為1.5gFeCl3、1mL HCl和48 mLC2H5OH 配制得到的溶液,腐蝕時間為15s.

      表1 C5210磷青銅薄板的化學成分 (質量分數)


      1.2 試驗方法

           根據 ASTM E112-2004測得試樣在不同工藝退 火 熱 處 理 后 的 平 均 晶 粒 尺 寸 d. 按 照 GB/T15825.5-1995 中對彎曲試樣的要求,將試樣尺寸進行一定比例的縮小,采用精細電火花線切割加工出長為30mm、寬為5 mm 的矩形試樣,試樣寬度誤差小于5μm.試驗中采用的三點微彎曲模具如圖1所示,該結構的凹模支座跨距連續可調,沖頭定位精度高且方便拆卸,對于微小試樣易于定位.在 RGG2000型微機控制電子萬能試驗機上進行微彎曲試驗.采用微機控制整個試驗過程,實時動態顯示力值、位移值、變形值和試驗曲線,可進行試驗力、變形、位移等參數的控制.

      圖1 微彎曲模具示意


           試驗過程中加載速度為5mm??min-1,彎曲半徑分別為1.0,1.5,2.0,2.5 mm,壓下量為10 mm,根據 GB/T232-2010計算出凹模兩支輥之間的距離L,重點研究坯料厚度(t)、晶粒尺寸(d)、彎曲半徑(R)等因素對磷青銅薄板微彎曲回彈的影響.微彎曲后的試樣通過掃描儀掃描成圖片后,把圖片導入 AutoGCAD軟件對其回彈后的角度進行測量,如下圖2所示.同樣的試驗條件下進行5次微彎曲試驗,測得的結果取平均值作為該條件下的最終試驗結果.

      CAD軟件中測量回彈后的角度示意


      2 試驗結果與討論

      2.1 退火溫度對晶粒尺寸的影響

          由圖3和表2可知:不同厚度的試樣隨著退火溫度的升高,晶粒尺寸增大,并且退火的溫度越高,晶粒尺寸增大的趨勢越明顯,在700℃退火后,晶粒尺寸甚至超過試樣的厚度;另外,由于軋制時薄板變形量不同,不同厚度的試樣在同一溫度下退火后,晶粒 尺寸隨著試樣厚度的增加而增大,例如在同一溫度下退火后,250μm 厚度試樣的晶粒尺寸明顯大于50μm 厚度的.


      圖3 不同溫度退火后不同厚度試樣的顯微組織

      表2 不同溫度退火熱處理后試樣的平均晶粒尺寸


      2.2 試樣厚度對微彎曲回彈的影響

           由圖4可以看出:不同厚度試樣的微彎曲存在明顯的尺寸效應,當彎曲半徑與退火溫度相同時,回彈量隨著試樣厚度的增大而減小,而且試樣厚度對回彈量的影響非常顯著.從表3中可以得出:彎曲半徑為1mm,試樣退火溫度為300 ℃時,當試樣厚度從250μm 減小到50μm 時,回彈量由5.6°增加到了68.2°,并且隨著厚度的減小,回彈量的增加程

      度越來越明顯.根據公式推導[16],當彎曲半徑相同時,中性層位置系數η隨板厚的減小而增大,因而回彈量也越大,產生了明顯的尺寸效應現象.表征彎曲表層應變量的公式為



          式中:ε為彎曲表層應變.在相同的彎曲半徑下,試樣的厚度越大,表層應變ε越大,試樣發生塑性變形的程度也越大,卸載后回彈越小;回彈是由試樣上應力應變分布不均勻引起的,對于厚度較小的試樣,沿著板厚方向的應力應變變化劇烈,分布很不均勻,卸載后不均勻變形區域要恢復到內力平衡的狀態,需要釋放較大的能量,從而導致回彈量變大.


      2.2 晶粒尺寸對微彎曲回彈的影響

          由 表4,5,6和圖5可以看出:不同晶粒尺寸試樣的微彎曲存在明顯的尺寸效應,回彈量隨著試樣晶粒尺寸的增大而減小;當晶粒尺寸大于40μm 時,回彈量的減小趨勢緩慢,例如對于厚度為100μm 的試樣,當試樣晶粒尺寸從9.4μm 增加到122.5μm時,回彈量下降了48.8%.試樣厚度相同時,晶粒尺寸越大,位于自由表面的晶粒數目占總晶粒數的比例越大.根據 Geiger教授的表面層模型,坯料的屈服應力降低,卸載后回彈量變小[17].


      2.3 彎曲半徑對微彎曲回彈的影響

          由表7和圖6可以看出:三種厚度試樣的回彈量都是隨著彎曲半徑的增大而增大,而且厚度越小,該增大的趨勢越明顯;在彎曲半徑由1mm 增大到2.5mm 時,厚度為 250μm 試樣的回彈量增加了24.4%,而厚度為100μm 試樣的則增加了33.8%.表征回彈大小的量 R/Rf (Rf 為回彈后半徑)與η(表征材料彎曲時中性層位置的系數)有關.通常彎曲半徑越大,彈性變形區占的比重越大,回彈則越明顯.因此,R 越大,則η 越大,從而導致回彈量越大.

      3 結 論

         (1)隨著退火溫度的升高,不同厚度 C5210磷青銅薄板試 樣 的 晶 粒 尺 寸 增 大,并 且 退 火 的 溫 度越高,晶粒尺寸增大的趨勢越明顯;在相同的退火溫度下,晶粒尺寸隨著試樣厚度的增加而增大.

         (2)不同厚度試樣的微彎曲均存在明顯的尺寸效應,當試樣的彎曲半徑與退火溫度相同時,回彈量隨著試樣厚度的增大而減小,而且試樣厚度對回彈量的影響非常顯著.

         (3)在試樣厚度與彎曲半徑相同的情況下,不、同晶粒尺寸試樣的微彎曲均存在明顯的尺寸效應,回彈量隨著晶粒尺寸的增大而減小,當晶粒尺寸大于40μm 時,回彈量呈緩慢減小趨勢.

         (4)在試樣厚度與退火溫度相同的情況下,回彈量隨著試樣彎曲半徑的增大而增大,而且厚度越小,回彈量增大的趨勢越明顯.

      表7 不同彎曲半徑下微彎曲后試樣的回彈量

      (文章來源:材料與測試網-機械工程材料 > 2017年 > 7期 > pp.29

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