304不銹鋼薄板微成形行為實驗研究

摘 要：隨著微成形技術的快速發展，微型零件在各行業得到廣泛的應用，需求也大大增加。在微成形過程中，由于材料的晶粒尺寸越來越趨近零件的幾何尺寸等，導致材料的力學性能與宏觀大尺寸零件相比，呈現出不同的尺寸效應現象。針對四種厚度304不銹鋼薄板進行了單向拉伸試驗，測得板料的屈服應力隨板料的減薄而增大，表現出“越薄越強”的尺寸效應現象，而材料延伸率隨板料的減薄而減小，表現出“越薄越脆”的尺寸效應現象。

關鍵詞：304不銹鋼；尺寸效應；單向拉伸

隨著現代工業的飛速發展，產品的微型化已成為工業界不可阻擋的趨勢。新的挑戰應運而生，微機電系統的加工質量、加工方式、加工批量等面臨著新的考驗。相對于宏觀大尺寸零件，微型零件在一個或多個尺寸處于毫米或以下級別時，其力學性能表現出一定的尺寸效應，隨著尺寸的減小，這種尺寸效應也更加明顯。

國內外學者在微塑性成形技術方面的研究越來越多。德國的Engel等學者[1]通過對零件進行單向拉伸試驗和翻邊試驗，發現隨著尺寸的減小，一些幾何相似材料的流動應力也相應減小；而Giger等人[2]也進行了單向拉伸試驗，發現了關于材料的應力-應變變化的相關規律，即材料的延伸率、抗拉強度等相關塑性性能都隨試樣尺寸的減小而減小，但具體影響因素還有待探究。哈爾濱工業大學的郭斌、單德彬等教授[3]對塑性微成形變形規律進行了研究，對薄板成形中尺寸效應產生的機理進行了理論分析；上海交通大學董湘懷教授等[4]開展了塑性微成形技術和理論研究，對CuZn37黃銅板料微塑性成形中的尺寸效應進行了研究。

文章通過單向拉伸試驗，對304不銹鋼在試驗中表現出的尺寸效應進行了理論分析。

1 單向拉伸試驗

1.1 試驗過程

首先將304不銹鋼薄板材料通過線切割切割成試驗所需的試樣，試樣厚度分別為200μm，100μm，50μm，20μm，以氨氣為保護氣體，加熱到1000℃，采用退火處理方式得到均勻的晶粒組織。本實驗采用KEYENCE VH-600晶粒度測量方法測量晶粒尺寸，測量較薄試樣時，考慮到厚度方向上晶粒數目少，因此選取試樣長度方向的晶粒測量數目。通過金相試驗觀察晶粒狀態，試樣晶粒尺寸見表1。由表1可得，試樣晶粒大小隨厚度的增加，無明顯變化。

在CMT4000系列電子萬能試驗機上對不同厚度的試樣進行單向拉伸試驗，試驗時選取合適的夾頭固定試樣，試樣厚度20、50、100、200μm對應的拉伸速度分別為400、1000、2000、4000μm/min。在試驗過程中，同種厚度試樣的拉伸試驗不少于3次，對3次試驗數據取平均值。

1.2 應力-應變曲線分析

三次重復的單向拉伸試驗獲得的數據構成的曲線是位移-力曲線，經過數據處理獲得各種厚度試樣的真實應力-真實應變曲線，如圖1所示。

圖1 各厚度試樣的應力-應變曲線

由應力-應變曲線，得到試樣的屈服應力，各厚度對應的屈服應力見表2。

表2 試樣屈服應力

由圖1和表1可得，試樣的初始屈服應力試驗值隨著厚度的減小，呈現出增加的趨勢，表現出“越薄越強”的尺寸效應現像。

1.3 材料延伸率分析

延伸率是指材料在拉伸試驗時斷裂瞬間的最大應變量，材料的延伸率越大，塑性成形性能就越好[5]，因此延伸率是表征材料塑性性能的重要指標。

延伸率δ=■×100%

式中：△L-拉伸后試樣的變形長度（μm）；L-試樣原長度（μm）

根據公式計算并處理試驗數據，可獲得材料延伸率和厚度關系曲線圖，如圖2所示。

由觀察圖2可得，材料延伸率隨試樣的變薄呈降低趨勢，且試樣越薄這種趨勢越明顯，在試樣厚度超過50μm后增加速度趨于平緩，但仍比較顯著，呈現出延伸率“越薄越弱”的尺寸效應現像。

2 結束語

文章通過對304不銹鋼薄板進行單向拉伸試驗，主要研究了屈服應力、延伸率這兩項指標，主要結果有：隨著試樣厚度的減薄，表層晶粒數目的減少加強了鈍化膜的效果，使屈服應力增強；塑性成形方面，材料的延伸率隨著試樣變薄而減小，表現出“越薄越弱”的尺寸效應現像。

參考文獻

[1]Engel U， Eckstein R. Microforming-from basic research to its realization[J].Journal of Materials Processing Technology，2002，125（2）：35-44.

[2]M. Geiger，R.Eckstein. Microforming advanced technology of plasticity[C]. Proceedings of the 7th ICTP， Yokohama， Japan，2002，6：327-338.

[3]周健，郭斌，單德彬.銅箔抗拉強度及延伸率的尺寸效應研究[J].材料科學與工藝，2010，4：445-449.

[4]李河宗，董湘懷，申昱.CuZn37黃銅板料微塑性成形中的尺寸效應研究[J].材料科學與工藝，2011（8）：15-19.

[5]趙迎紅，雷麗萍，曾攀.微塑性成形技術及其力學行為特征[J].塑性工程學報，2005，6：1-6.