到目前為止，對微成形中的尺度效應的定義還並不十分明確完整，概括地講，所謂的尺度效應就是指在微成形過程中由於製品整體或局部尺寸的微小化引起的成形機理及材料變形規律表現出不同於傳統成形過程的現象。究其原因，目前的理解是，與巨觀成形相比，微成形製品的幾何尺寸和相關的工藝參數可以按比例縮小，但仍然有一些參數是保持不變的，比如材料微觀晶粒度及表面粗糙度等，從而引起材料的成形性能、變形規律以及摩擦等表現出特殊的變化。
基本介紹
- 中文名：微尺度效應
- 外文名：microscale effect
- 所屬領域：材料
- 分類：材料本徵、工藝條件
- 相關試驗：單軸拉伸試驗
- 特性：動態性、相關性
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分類
微尺度效應分為兩類：第一類尺度效應和第二類尺度效應。
第一類尺度效應指能夠根據相似原理解釋或能採用傳統力學模型推導、模擬的現象。比如，在微尺度拉深成形過程中，隨著製件的微型化，製件表面積與體積的比率增大，從而導致摩擦的增大，即摩擦力與總拉深力比率的增大。第二類尺度效應是指那些不能根據相似原理或採用傳統力學模型解釋、推導、模擬的現象。比如拉伸試驗中，隨著試樣尺寸的減小，流動應力也相應減小的現象。這種分類在概念上是比較清晰的，但是對於具體的微成形工藝分析和計算並沒有多少實質性幫助，人們關心的是在微成形過程中材料的成形性能、變形規律、工藝性質、工況條件等方面的微尺度效應究竟是如何影響成形過程和製品質量以及各種效應的影響程度，從而在微成形系統設計或進行工藝最佳化時獲得有益的指導。因此，在大量分析已報導試驗的基礎上，結合具體的微成形工藝特點，考慮工藝分析計算、尺度效應評估等的可操作性，從微成形工藝系統的角度提出微尺度效應的另一種分類，即材料本徵微尺度效應、工藝條件微尺度效應的分類方法。
材料本徵微尺度效應
在巨觀條件下通常通過一些典型試驗(強度、硬度、成形性能等試驗)來評價材料的各種性能，用這些典型條件來等效材料變形的複雜工況，根據這些典型條件下的變形規律來推求複雜工況下的變形行為。在微尺度下，微觀組織的形態和變形行為開始對材料的整體行為產生更大的影響，已經超出巨觀條件下的連續介質預設，即使在這些簡單載入條件下的典型試驗中亦表現出不同於巨觀行為的現象。把這種由於本身物理、化學或幾何等屬性的影響，材料在典型性能試驗條件下的微尺度變形規律表現出不同於巨觀規律的現象稱為材料本徵微尺度效應。具體表現為材料的晶粒尺度和形貌、變形區最小几何尺寸以及特殊變形性質(比如超塑性)等對材料微尺度性能的影響。如前所述，在室溫薄板拉伸試驗中，一般而言，晶粒尺度越大屈服點和強度極限越低，板厚減小屈服點和強度極限也減小，表現出與晶粒尺度增大同樣的效應。除幾何和微觀組織因素外，對於與應變率有關的材料變形還應考慮應變率對材料微尺度效應的影響，對於高溫成形的材料要考慮其高溫特性。值得注意的是，除常規多晶材料在微成形中表現出的材料本徵微尺度效應外，隨著適應於微成形工藝的新材料的開發和金屬玻璃、單晶材料等的套用，材料本徵微尺度效應也越來越多樣化、複雜化。
在微尺度下，由於具體工況的複雜性，複雜的應力狀態仍然要用典型試驗條件來進行等效，複雜工況下的變形規律也必須要用典型試驗條件下的變形規律拓展近似。對於材料本徵微尺度效應的明確界定有利於深入研究微尺度下特定工藝條件的等效關係以及變形規律近似關係的特殊性，事實上，這種等效關係也是微尺度下材料本構關係的重要內容。
工藝條件微尺度效應
與各種強度、硬度和成形性能等典型試驗條件不同的是，在各種具體成形工藝中，材料的應力場、應變(速率)場、溫度場等完傘不同於典型試驗條件下的簡單狀態，在微尺度下的非線性和拓撲性更為複雜。把這種在具體成形工藝中由於微尺度邊界條件的複雜性、非線性造成的材料在成形機理、變形規律以及成形需要滿足的工藝條件等方面表現出的與巨觀成形不同的現象稱為工藝條件微尺度效應。當然，工藝條件微尺度效應的體現仍然離不開具體材料的特性，要指出的是這裡的工藝條件微尺度效應是獨立於材料本徵微尺度效應的，是在已經充分考慮了材料本徵微尺度效應以後具體工藝中仍然發生的區別於巨觀尺度變形的效應。
動態性
在金屬微成形工藝研究中，人們所考查的基本上是可觀察或可測試的靜態或準靜態的尺度效應，忽略了微尺度效應的動態性影響。事實上，微尺度效應不僅僅表現在成形過程的開始、終了或過程中的離散點上，而是伴隨在微成形的整個過程中。比如，金屬單軸微拉伸試驗中，不僅屈服點和強度極限隨著幾何比例減小而減小，整個拉伸過程中的硬化趨勢也有很大不同；在微沖裁中從開始剪下到最後脫離過程中斷面的形成、沖裁力的變化趨勢在不同幾何比例下也是不同的；微拉深、微擠壓過程中摩擦係數的變化、應變場的分布等在不同幾何比例下也是不同的。對微尺度效應動態性的考查是微成形工藝研究中無法迴避的問題，因為微尺度效應的動態性規律才是區別於常規成形的真實過程，也是認識產生微尺度效應本質原因的關鍵，只有掌握了微尺度效應的動態性規律才能控制相關要素實現精密微成形。
對於微尺度固體變形本構關係而言，微尺度效應的動態性不僅涉及應力一應變的關係、屈服函式的表達，而且關係到屈服面的動態變化。微尺度塑性變形中，屈服面是各向同性硬化還是機動硬化、混合硬化或是其他更複雜更特殊的變化，以及屈服面是否具有交點或奇異性在微尺度效應的動態性中都會有所表現，因此從建立微尺度固體本構理論方面來講，對微尺度效應的動態性的研究也是必要的。
相關性
與微尺度效應的動態性類似，人們對微成形過程中微尺度效應的考查沒有考慮各個效應的相互影響，仍然停留在單獨考查的階段，甚至在對工藝條件微尺度效應的考查中都沒有考慮哪些是影響因素，哪些是被影響因素，這種狀態也制約了對微尺度效應的進一步認識。事實上，微成形系統中材料或工藝條件所表現出來的微尺度效應是關聯的，甚至存在很強的相關性。儘管在微尺度效應的分類中，強調了材料本徵微尺度效應和工藝條件微尺度效應的獨立性，但是材料在工藝條件下體現出的微尺度效應(雖然無法單獨測量和表述)在各種工況必要條件中所表現出的微尺度效應仍起著決定性影響。比如，各種最大、最小合理間隙；最大、最小合理圓角半徑；最大、最小壓邊力等的特殊變化都與材料有關。
此外。在工藝條件微尺度效應中也存在著普遍的相關性。比如，摩擦條件所表現的微尺度效應幾乎影響到所有與接觸有關的成形工藝，尤其體現在微擠壓和微拉深中。對微尺度效應相關性的考查也是微成形工藝研究中無法迴避的問題，要想真正認識產生微尺度效應的本質原因，就必須把問題回歸到各種相互關聯的作用中去考查，才能真正將原因與結果、主動影響與被動表現的關係區分開來，從而把握主要矛盾實現對微成形系統的精確控制。
微尺度效應的相關性在理論分析中主要體現在工藝計算和模擬中數學模型的建立和邊界條件的處理方面。摩擦、載荷、位移等邊界條件以及應力一應變的合理表述和處理都是需要考慮的問題，這也是目前相關研究中普遍忽略的問題。
相關試驗
從材料行為方面考慮，在理想狀態下，如果不存在尺度效應，同一材料的應力應變狀態是相同的，如果應力及載荷的大小或應變的分布與理想狀態不同，則被認為是由於尺度效應引起的。尺度效應可以通過以下試驗體現出來。
（1）單軸拉伸試驗
在成形工藝中，描述材料變形行為的基本關係是應力一應變曲線，因為這一關係直接影響到成形力、工具載荷、局部變形行為以及充模情況等。將標準樣件等比縮小，根據相似原理所進行的拉伸試驗表明：由於尺度效應的影響，隨著樣件尺寸的減小，流動應力也呈現減小的趨勢。
（2）微彎曲試驗
L.V.Raulea等的鋁薄板彎曲試驗中保持板厚1.0mm不變，經熱處理達到不同的晶粒度。根據厚度方向的晶粒度將試驗所得圖表分為在多晶區和單晶區。在多晶區，隨著晶粒尺度的逐漸減小，屈服應力相應增大，表現出晶粒尺度增強效應或Hall-Petch效應。試驗結果與晶粒度保持不變而厚度變化的單軸拉伸試驗規律相同，可見，改變板厚和晶粒尺度的效果相同：隨著試樣厚度/晶粒度比率的增大屈服點逐漸增大。這也提示：表面層效應和晶粒尺度增強效應的本質原因可能一致。在單晶區，當晶粒尺度為試樣厚度或超過試樣厚度時，可觀察到兩個現象：
①隨著晶粒尺度的增大，試驗結果的重複性越來越小；
②隨著晶粒尺度的增大，屈服點和彎曲平均載荷相應增大。
