不锈钢超薄板成形性能及其微尺度效应评估

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微成形过程中,产品整体或者局部的微型化使得材料的变形规律与传统成形过程中的情况有着很大的区别,在微成形过程中有些参数可以按照比例系数缩放而保持一定比例规律变化,然而其微结构、表面形貌状况等却是不变的,从而造成了材料力学性能、摩擦效应以及成形性能的不同。  本研究以20μm、50μm、100μm、200μm和400μm五种不同厚度的304不锈钢超薄板为研究对象,通过单向拉伸试验,分析了304不锈钢超薄板的力学性能以及尺度效应现象;通过各向异性测定试验,研究了不同厚度超薄板试样的各向异性程度;建立了超薄板试样的有限元模型,得到了不同厚度超薄板试样的成形极限预测曲线;进行了微拉深试验,分析了微拉深工艺过程的影响因素,采用归一化的方法研究微拉深工艺参数变化情况;利用相似性原理得到超薄板微尺度的正、负效应及大小。  单向拉伸及各向异性测定试验表明:对于不同厚度的304不锈钢超薄板,随着试样厚度的减小,出现了越小越强的力学性能尺度效应;对于不同宽度的超薄板试样,力学性能尺度效应不明显;拉伸件随着试样宽度和厚度变化呈现不同的断裂方式,且拉伸试样的延伸率与宽度和厚度中的较小尺寸相关;随着厚度减小,超薄板试样的厚向异性系数r减小,板平面方向异性系数Δr增大。  有限元成形极限预测表明:基于最大载荷法的成形极限左半区预测和基于应变路径法的右半区成形极限预测与试验结果较为一致,采用综合判断法作为失稳极限应变判断准则较为准确,基于有限元模型和综合判断法得到了20μm、50μm厚不锈钢超薄板的成形极限。  微拉深工艺试验表明:微拉深的成形性能的影响因素包括各向异性、热处理以及成形极限;考虑比例系数的归一化方法适用于厚试样的微拉深过程,考虑晶粒尺寸比的归一化方法则适用于薄试样的微拉深过程;对于不同厚度超薄板试样,厚度越小相对拉深高度h/r越小,成形性能越差;破裂部位集中在模具圆角的区域;试样在凸模拐角区域的减薄率最大,且随着试样厚度的减小,微拉深件在减薄率很小时就发生了破裂。  不锈钢超薄板的微尺度效应评估结果表明:基于相似性原理的两类微尺度效应相似性评估,能够很好地反映304不锈钢超薄板的尺度效应的趋势及程度,即尺度越微小其尺度效应表现程度越大,根据评估结果能够计算考虑尺度效应的微拉深工艺参数。
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