雷射衝擊微成形中的尺度效應研究

《雷射衝擊微成形中的尺度效應研究》是依託山東大學，由鄭超擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：雷射衝擊微成形中的尺度效應研究
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：鄭超
• 依託單位：山東大學

中文摘要

雷射衝擊微成形是一種新興微塑性成形工藝，由於尺度效應對微成形過程的影響機制尚不明確，限制了該工藝在微細製造領域的廣泛套用。本課題提出以雷射衝擊微成形中微脹形和微沖孔作為代表性工藝，探索在雷射衝擊誘致高應變率塑性變形和動態斷裂過程中，晶粒尺寸和板材厚度的尺度效應對雷射衝擊微成形的影響機制。採用不同晶粒尺寸和板材厚度的紫銅和黃銅箔材，實驗研究尺度效應對銅箔動態基礎力學性能的影響機理, 建立考慮尺度效應的銅箔動態本構模型；實驗檢測結合數值模擬，材料動力學行為結合微觀組織演變，明確尺度效應對微脹形時材料外在變形行為、內在微觀結構演變、成形極值條件等要素的影響規律，闡明尺度效應對微沖孔時絕熱剪下帶形成、沖裁斷面質量的影響機理。以期揭示雷射衝擊微成形中尺度效應的本質原因和影響機制，為增強微成形過程的可調控性、最佳化工藝方案和提高製品質量提供新思路。

結題摘要

當前微型化產品巨大的市場需求促使研究者開發新技術新工藝以快速高效製備微型零件。雷射衝擊微成形是一種新型微塑性成形工藝，兼有高應變率塑性成形和雷射衝擊強化工藝的技術優勢。在該工藝中，強脈衝雷射衝擊誘導的電漿衝擊波壓力被用以使金屬箔材發生塑性變形，具有快速、柔性、可控性好、產品質量穩定等顯著特點。 本項目以雷射衝擊微成形中微脹形和微沖孔作為代表性工藝，探索在雷射衝擊誘致高應變率塑性變形和動態斷裂過程中，晶粒尺度效應、特徵尺度效應和工藝條件尺度效應對雷射衝擊微成形的影響機制。此外，對塊體非晶雷射衝擊強化中的尺度效應、金屬箔材雷射衝擊微沖孔中的反衝塞效應等也開展了相應研究工作。研究工作主要內容和結果如下： (1) 實驗研究了金屬箔材基礎力學性能的尺度效應。研究發現：銅箔微拉伸力學性能存在明顯的尺度效應，呈現“越小越強”的現象；Fe78Si9B13非晶箔材雷射衝擊微沖孔形成的斷面由滑移區和最終斷裂區組成；高應變率載入時非晶合金斷面形貌由大量脈狀花樣、熔融後凝固形成的液滴、大片熔融帶構成；塊體非晶的尺寸大小顯著影響雷射衝擊後材料的屈服強度，高徑比為1的試樣在雷射衝擊表面強化後獲得的力學性能更優。 (2) 實驗研究了金屬箔材雷射衝擊微脹形工藝中的尺度效應。研究發現：在單/多脈衝雷射衝擊條件下，約束層厚度顯著影響著雷射衝擊後吸收層和微脹形件的表面形貌，紫銅箔材的脹形變形量隨約束層厚度不同而明顯變化；隨雷射衝擊能量增大，不同初始晶粒尺寸下的微脹形件最大脹形高度均增大，利用金相觀察獲得了微脹形件板厚方向晶粒分布特徵。 (3) 實驗和數值仿真研究了金屬箔材雷射衝擊微沖孔工藝中的尺度效應。研究發現：在雷射光斑尺寸d大於微沖孔凹模直徑D時，箔材斷面均呈現剪下斷裂特徵，由圓角區、剪下區和毛刺組成，隨晶粒尺寸變大，箔材的微孔斷面上毛刺增多且形狀不規則；比值d/D與金屬箔材和非晶箔材的斷裂行為十分密切，隨d/D變化，金屬箔材斷裂分別出現剪下斷裂、混合斷裂和拉伸斷裂模式。 (4) 利用數值仿真方法研究了雷射衝擊微沖孔中的反衝塞效應。研究發現：金屬箔材在一定條件下會發生反衝塞破壞，該反常破壞過程分為正向塑性變形、正向局部剪下斷裂、反向最終斷裂三個階段；微細沖孔凹模深度和雷射衝擊波壓力對箔材斷裂行為有顯著影響；調整沖孔凹模入口圓角半徑未實質改變箔材的斷裂行為，但對沖孔件的斷面形貌有一定影響。