T2紫銅薄板超聲微拉伸試驗研究

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，已獲得廣泛應用。而在微成形中，將超聲應用于金屬薄板的成形，目前還少有報道。本文在常規拉伸實驗設備的基礎上，通過設計適合的超聲裝置，將超聲附加到T2紫銅薄板上，以獲得超聲環境下金屬薄板的力學性能。

關鍵詞：超聲;T2紫銅薄板;力學性能;微拉伸

0? 引言

產品微型化對零件的加工提出了更高的要求，進入二十一世紀后，微制件的研究和應用發展迅速。金屬薄板微成形是制造微制件的一種重要加工方式，微成形材料的基礎力學性能，對微沖壓件成形工藝方法的選擇和工藝參數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性能發生改變，如屈服強度、抗拉強度、流動應力和變形抗力降低，材料的加工質量提高等。微成形材料在超聲環境下的變形規律及力學性能參數，是一個重要的研究課題，但這方面的研究和公開的技術成果目前并不多見。本文在常規拉伸實驗設備的基礎上，通過設計適合的超聲裝置，將超聲附加到T2紫銅薄板上，以獲得超聲環境下金屬薄板的力學性能。

1? 超聲拉伸裝置設計

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。本文設計了一臺超聲拉伸裝置，其額定功率為1 kW，頻率為20 kHz，振幅三檔可調。基本結構如圖1所示。

拉伸試驗機所帶的夾持裝置不能與設計的超聲拉伸裝置配合使用，需要設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動的，因此，在設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，具體設計如圖2所示，最下面鋼板可以旋轉定位，中間鋼板可以水平移動定位。

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。

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，其交貨狀態為軋制態，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性能的一個重要參數。本文以厚度/晶粒尺寸比作為基本參數，來研究不同振幅的超聲振動對T2紫銅薄板力學性能的影響。

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。

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? 超聲微拉伸實驗結果及分析

利用設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，各重復實驗3～5次，完成超聲微拉伸實驗。圖4是超聲微拉伸實驗圖。

3.1 超聲微拉伸力學性能分析

對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/晶粒尺寸比的力學性能參數分別如表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，發現了超聲振動對T2紫銅薄板的“軟化效應”和“硬化效應”。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所示的工程應力-應變曲線。

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，即出現了超聲“軟化效應”，但與宏觀超聲拉伸實驗結果有所不同，宏觀超聲拉伸實驗中，變形抗力的減小與超聲振幅成正相關，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，直至到達一個臨界值，隨著超聲振幅的繼續增大，降低量不產生變化。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中可以發現，施加縱向超聲的瞬間，應力出現了急劇的下降，到達一個最低值，到達最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，應力也出現一個急劇下降，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，應力出現急劇變化，可以認為是超聲振動產生的力和拉伸力二者“應力疊加”的作用，使得T2紫銅薄板出現了“軟化效應”。

3.3 同一超聲振幅對不同厚度/晶粒尺寸比力學性能的影響

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時最大。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。可以很明顯的看出，施加3.02μm的縱向超聲，厚度/晶粒尺寸比為8.1時，抗拉強度降低量最大。

出現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限制，不利于材料的變形，從而使得T2紫銅薄板抗拉強度的值較小;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，出現大量纏結和塞積，也使得T2紫銅薄板變形不易，導致抗拉強度的值小。對于厚度/晶粒尺寸比為8.1的T2紫銅薄板，晶粒數目合適，超聲作用下，位錯運動纏結和塞積的現象少，從而抗拉強度更大。

4? 結論

目前為止，超聲振動應用于金屬薄板微拉伸實驗力學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，降低幅度最大，在5.58μm時，降低幅度最小。

參考文獻：

[1]顧曉猛.金屬薄板超聲微拉伸性能測試[D].深圳大學，2015.

[2]王勻，陸廣華，許禎英，吳江平，王晶晶.尺寸效應對H62黃銅微拉伸性能的影響[J].機械設計與研究，2009（01）.

[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（04）.