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浏览:- 发布日期:2020-09-26 14:43:22【

刘慧慧1,王 欣2,欧阳金栋1,易 龙1,郝传海1,张 博1

(1.江西洪都航空工业集团有限责任公司,南昌330024;2.江铃汽车股份有限公司,南昌 330024)

    摘 要:采用 RGG2000型微机控制电子万能试验机,通过微弯曲试验,研究了 C5210磷青铜薄板的厚度、晶粒尺寸以及弯曲半径等相关尺寸对其微弯曲回弹的影响.结果表明:C5210磷青铜薄板的厚度、晶粒尺寸和弯曲半径等对其回弹均有显著的影响,具有明显的尺寸效应;薄板的厚度越大,回弹量越小,厚度对回弹量的影响非常显著;薄板的晶粒尺寸越大,回弹量越小,当晶粒尺寸大于40μm 时,回弹量呈缓慢减小趋势;回弹量随着弯曲半径的增大而增大,而且薄板的厚度越小,增大的趋势越明显.

关键词:尺寸效(xiao)应;微(wei)弯曲;C5210磷青铜;回弹(dan)量

中图分类号:TG146.2 文献标(biao)志码:A 文章编号:1000G3738(2017)07G0029G05

SizeEffectofMicroGbendingSpringGBackforC5210PhosphorBronzeSheet

LIUHuihui1,WANGXin2,OUYANGJindong

1,YILong

1,HAOChuanhai1,ZHANGBo1

(1.JiangxiHongduAviationIndustryGroupCo.,Ltd.,Nanchang330024,China;

2.JianglingMotorsCo.,Ltd.,Nanchang330024,China)

Abstract:MicroGbendingtests wereconducted by RGG2000 microGcomputercontrolelectronicuniversal

testingmachine.Theinfluenceofthickness,grainsize,bendingradiusofC5210phosphorbronzesheetonmicroG

bendingspringGbackwasresearched.Resultsshowthatthethickness,grainsize,bendingradiusofC5210phosphor

bronzesheethadasignificanteffectonthespringGbackandthatshowedanobvioussizeeffect.ThespringGback

amountdecreasedassheetthicknessincreased,andthicknessaffectedthespringGbackamountobviously.The

springGbackamountdecreasedwithincreasingofgrainsize,whenthegrainsizewaslargerthan40μm,theamount

ofspringGbackdecreasedslowly.ThespringGbackamountincreasedasthebendingradiusincreased,andthetrendof

increasewasmoreobviouswhenthethicknessofsheetwassmaller.

Keywords:sizeeffect;microGbending;C5210phosphorbronze;spring-backamount


0 引 言

    弯曲(qu)是制(zhi)造钣金(jin)零件(jian)的(de)(de)(de)主要成形(xing)方(fang)法(fa),弯曲(qu)回弹(dan)是指当成形(xing)力释放时零件(jian)所产生的(de)(de)(de)弹(dan)性(xing)回复,对(dui)零件(jian)成形(xing)的(de)(de)(de)精(jing)度有(you)重要影(ying)(ying)响(xiang)(xiang).对(dui)宏观尺寸(cun)的(de)(de)(de)弯曲(qu)成形(xing)人(ren)们已(yi)(yi)经进行了广泛的(de)(de)(de)研究,并且很(hen)多(duo)方(fang)法(fa)已(yi)(yi)经被用来预测金(jin)属板的(de)(de)(de)弯曲(qu)回弹(dan),如解(jie)析方(fang)[1]、有(you)限元数值模(mo)拟方(fang)法(fa)[2G3]、半解(jie)析方(fang)法(fa)[4]以及(ji)试验(yan)方(fang)法(fa)等.对(dui)影(ying)(ying)响(xiang)(xiang)回弹(dan)的(de)(de)(de)一些主要影(ying)(ying)响(xiang)(xiang)因(yin)素如材(cai)料(liao)的(de)(de)(de)力学性(xing)能、模(mo)具的(de)(de)(de)几(ji)何形(xing)状及(ji)尺寸(cun)、成形(xing)参数等也已(yi)(yi)经进行了广泛的(de)(de)(de)研究[5G6].

     然而,当金属材料的(de)塑性变形特征尺寸在(zai)微米或亚(ya)微米量级(ji)时,其弯(wan)(wan)(wan)曲(qu)过程和宏观(guan)弯(wan)(wan)(wan)曲(qu)过程完全(quan)不(bu)一样,会(hui)体(ti)现(xian)出强(qiang)烈的(de)尺寸效应[7],因此(ci)宏观(guan)弯(wan)(wan)(wan)曲(qu)的(de)很 多 理 论 在(zai) 分 析 微 弯(wan)(wan)(wan) 曲(qu) 中 就 不(bu) 再 适 用 了(le).

STOLKEN 等(deng)(deng)(deng)[8]发(fa)现(xian),在(zai)(zai)对(dui)镍(nie)薄梁进行(xing)弯曲(qu)时(shi),当梁的(de)厚度(du)从50μm 下降到(dao)12.5μm 时(shi),其弯曲(qu)硬(ying)化程度(du)显著提高.张永(yong)胜等(deng)(deng)(deng)[9]和马增(zeng)(zeng)玉等(deng)(deng)(deng)[10]分(fen)别研(yan)究(jiu)了 陶 瓷(ci) 和 镍(nie) 镀(du) 层 纳 米 材 料 的(de) 压 痕 尺 寸 效 应.GAU 等(deng)(deng)(deng)[11G12]对(dui)退(tui)火处理(li)的(de)黄(huang)铜(tong)箔进行(xing)三点弯曲(qu)试验后发(fa)现(xian):当板厚t不超过350μm 时(shi),传统的(de)回(hui)弹(dan)理(li)论已不适(shi)用;黄(huang)铜(tong)箔的(de)回(hui)弹(dan)量是相对(dui)厚度(du)t/d(d为(wei)(wei)平均晶(jing)粒直径)的(de)函数,随着t/d 的(de)增(zeng)(zeng)大,其回(hui)弹(dan)量减小(xiao).LI等(deng)(deng)(deng)[13G14]研(yan)究(jiu)了微(wei)弯曲(qu)中(zhong)不同厚度(du)纯铝箔和 CuZn37黄(huang)铜(tong)箔的(de)回(hui)弹(dan)行(xing)为(wei)(wei),结果表明随着材料厚度(du)的(de)减小(xiao),试样弯曲(qu)回(hui)弹(dan)角都呈(cheng)增(zeng)(zeng)大趋势,并提出了 采 用 应 变 梯 度(du) 塑 性 理(li) 论 来 解 释 这 种 行(xing) 为(wei)(wei).CHAN 等(deng)(deng)(deng)[15]提出了考虑(lv)各向异性影响的(de)应变强化平面(mian)应力(li)弯曲(qu)模(mo)型(xing),研(yan)究(jiu)表明各向异性的(de)影响程度(du)比宏(hong)观成(cheng)形更为(wei)(wei)显著.前面(mian)的(de)研(yan)究(jiu)材料主要(yao)集中(zhong)在(zai)(zai)黄(huang)铜(tong)、不锈钢、镍(nie)材、铝箔(bo)等,而对磷青(qing)铜的(de)研(yan)究则很少涉及到.磷青(qing)铜(tong)(tong)(tong)因(yin)(yin)具有高的(de)强度、良好的(de)塑性(xing)、优良的(de)导电(dian)性(xing)和(he)耐(nai)腐蚀(shi)性(xing)能优点(dian),而被广泛应(ying)用于微(wei)机电(dian)系统(tong)(tong).为了(le)(le)优化磷(lin)(lin)青铜(tong)(tong)(tong)在(zai)微(wei)塑性(xing)成(cheng)形中的(de)加工(gong)工(gong)艺,系统(tong)(tong)研究磷(lin)(lin)青铜(tong)(tong)(tong)在(zai)微(wei)成(cheng)形过程中表现出的(de)尺寸(cun)效应(ying)显得(de)尤(you)为重要.因(yin)(yin) 此,作(zuo) 者 以 C5210 磷(lin)(lin) 青 铜(tong)(tong)(tong) 薄(bo) 板(ban) 为 试 验(yan) 材料,设计加工(gong)了(le)(le)一套(tao)薄(bo)板(ban)微(wei)弯曲(qu)模具,在(zai)微(wei)机控(kong)制电(dian)子(zi)万能试验(yan)机上进(jin)行了(le)(le)微(wei)弯曲(qu)试验(yan),研究了(le)(le)试验(yan)材料的(de)厚度、晶粒尺寸(cun)和(he)弯曲(qu)半径等相(xiang)关尺寸(cun)对其微(wei)弯曲(qu)回弹的(de)影响规律.

1 试(shi)样制备与试(shi)验方(fang)法(fa)

1.1 试样(yang)制备

    试验材(cai)料为(wei)(wei)昆山佳辉铜(tong)业有限(xian)公司提供(gong)的(de)(de)轧(ya)制(zhi)C5210磷(lin)青(qing)铜(tong)薄板(ban),厚度分(fen)别为(wei)(wei)50μm,100μm 和250μm,化学成分(fen)如表(biao)1所(suo)示.为(wei)(wei)了排除供(gong)应(ying)原材(cai)料冷轧(ya)加工硬化对试验结果的(de)(de)影响(xiang),试验前采用在(zai)充满(man)氮气的(de)(de)环境下对试样(yang)(yang)进行(xing)热处(chu)理(li),将三种不同厚度的(de)(de)试样(yang)(yang)分(fen)别加热至300,400,500,600,700℃并(bing)保温(wen)1h后随炉(lu)冷却.热处(chu)理(li)后制(zhi)备金相试样(yang)(yang)并(bing)进行(xing)显微组织观察,腐蚀(shi)液(ye)为(wei)(wei)1.5gFeCl3、1mL HCl和48 mLC2H5OH 配制(zhi)得到的(de)(de)溶液(ye),腐蚀(shi)时(shi)间为(wei)(wei)15s.

表1 C5210磷青铜薄板的化学成分 (质量分数)


1.2 试验方法

     根据 ASTM E112-2004测得试(shi)(shi)样(yang)在不同(tong)工艺(yi)退 火 热 处 理 后 的(de) 平 均 晶 粒 尺 寸 d. 按 照 GB/T15825.5-1995 中对弯(wan)曲(qu)试(shi)(shi)样(yang)的(de)要(yao)求,将试(shi)(shi)样(yang)尺寸进(jin)行一定比例的(de)缩小,采用精(jing)细(xi)电火花线(xian)切割加工出长为(wei)30mm、宽为(wei)5 mm 的(de)矩形(xing)(xing)试(shi)(shi)样(yang),试(shi)(shi)样(yang)宽度(du)误差小于(yu)(yu)5μm.试(shi)(shi)验(yan)(yan)中采用的(de)三点微弯(wan)曲(qu)模具如(ru)图1所示(shi),该结构的(de)凹模支座跨(kua)距连续可调,冲(chong)头定位(wei)精(jing)度(du)高且方便拆(chai)卸(xie),对于(yu)(yu)微小试(shi)(shi)样(yang)易于(yu)(yu)定位(wei).在 RGG2000型微机控(kong)制电子万能试(shi)(shi)验(yan)(yan)机上进(jin)行微弯(wan)曲(qu)试(shi)(shi)验(yan)(yan).采用微机控(kong)制整个(ge)试(shi)(shi)验(yan)(yan)过程,实(shi)时动态(tai)显示(shi)力值(zhi)、位(wei)移(yi)值(zhi)、变形(xing)(xing)值(zhi)和试(shi)(shi)验(yan)(yan)曲(qu)线(xian),可进(jin)行试(shi)(shi)验(yan)(yan)力、变形(xing)(xing)、位(wei)移(yi)等参数的控制.

图1 微弯曲模具示意


     试验过程中加载速度(du)为(wei)5mm??min-1,弯(wan)曲半(ban)径分别为(wei)1.0,1.5,2.0,2.5 mm,压下(xia)量(liang)为(wei)10 mm,根(gen)据(ju) GB/T232-2010计算出凹模(mo)两支辊之间的距离L,重点研究(jiu)坯料(liao)厚度(du)(t)、晶粒尺(chi)寸(d)、弯(wan)曲半(ban)径(R)等因素对磷青(qing)铜薄板微弯(wan)曲回弹的影响.微弯(wan)曲后的试样(yang)通过扫描仪扫描成(cheng)图(tu)片(pian)后,把图(tu)片(pian)导入 AutoGCAD软件对其回弹后的角度(du)进行(xing)测量(liang),如下(xia)图(tu)2所(suo)示(shi).同样(yang)的试验条件下(xia)进行(xing)5次微弯(wan)曲试验,测得的结果(guo)取平均(jun)值作为(wei)该条件下(xia)的最终试验结果(guo).

CAD软件中测量回弹后的角度示意


2 试验(yan)结果与(yu)讨论

2.1 退火温度对晶粒尺寸的(de)影响

    由图3和(he)表2可知:不(bu)同(tong)(tong)厚度(du)(du)(du)(du)(du)的(de)(de)试(shi)(shi)(shi)样随着退火(huo)温(wen)(wen)度(du)(du)(du)(du)(du)的(de)(de)升高,晶(jing)粒(li)(li)尺(chi)寸(cun)增大(da),并(bing)且退火(huo)的(de)(de)温(wen)(wen)度(du)(du)(du)(du)(du)越(yue)(yue)高,晶(jing)粒(li)(li)尺(chi)寸(cun)增大(da)的(de)(de)趋势越(yue)(yue)明显(xian),在700℃退火(huo)后(hou),晶(jing)粒(li)(li)尺(chi)寸(cun)甚至超过试(shi)(shi)(shi)样的(de)(de)厚度(du)(du)(du)(du)(du);另外,由于(yu)轧制时(shi)薄板变形量不(bu)同(tong)(tong),不(bu)同(tong)(tong)厚度(du)(du)(du)(du)(du)的(de)(de)试(shi)(shi)(shi)样在同(tong)(tong)一(yi)温(wen)(wen)度(du)(du)(du)(du)(du)下退火(huo)后(hou),晶(jing)粒(li)(li) 尺(chi)寸(cun)随着试(shi)(shi)(shi)样厚度(du)(du)(du)(du)(du)的(de)(de)增加而(er)增大(da),例如在同(tong)(tong)一(yi)温(wen)(wen)度(du)(du)(du)(du)(du)下退火(huo)后(hou),250μm 厚度(du)(du)(du)(du)(du)试(shi)(shi)(shi)样的(de)(de)晶(jing)粒(li)(li)尺(chi)寸(cun)明显(xian)大(da)于(yu)50μm 厚度(du)(du)(du)(du)(du)的(de)(de).


图3 不同温度退火后不同厚度试样的显微组织

表2 不同温度退火热处理后试样的平均晶粒尺寸


2.2 试样厚度对(dui)微弯曲回弹的(de)影响

     由(you)图4可以(yi)看出:不同(tong)厚度试样(yang)(yang)的(de)(de)微弯曲(qu)存在明显的(de)(de)尺寸效应,当弯曲(qu)半(ban)径与退火(huo)温度相同(tong)时,回弹(dan)量(liang)随着试样(yang)(yang)厚度的(de)(de)增大而减小,而且(qie)试样(yang)(yang)厚度对(dui)回弹(dan)量(liang)的(de)(de)影响非常显著.从(cong)表(biao)3中可以(yi)得出:弯曲(qu)半(ban)径为1mm,试样(yang)(yang)退火(huo)温度为300 ℃时,当试样(yang)(yang)厚度从(cong)250μm 减小到(dao)50μm 时,回弹(dan)量(liang)由(you)5.6°增加到(dao)了68.2°,并(bing)且(qie)随着厚度的(de)(de)减小,回弹(dan)量(liang)的(de)(de)增加程

度越(yue)来(lai)越(yue)明(ming)显.根据公式推(tui)导[16],当弯曲(qu)半径(jing)相同时,中性层位(wei)置系数η随板厚的(de)减小而增(zeng)大(da),因而回(hui)弹量也(ye)越(yue)大(da),产生了明(ming)显的(de)尺(chi)寸(cun)效(xiao)应现象.表(biao)征(zheng)弯曲(qu)表(biao)层应变(bian)量的(de)公式为



    式(shi)中:ε为弯(wan)(wan)曲表层应变.在相同(tong)的弯(wan)(wan)曲半径下,试样的厚度越大(da),表层应变ε越大(da),试样发生塑性变形的程度也越大(da),卸(xie)载后回(hui)弹越小;回(hui)弹是由试样上应力(li)(li)应变(bian)分布不均(jun)匀引起(qi)的(de),对于厚(hou)度较小的(de)试样,沿着板厚(hou)方向的(de)应力(li)(li)应变(bian)变(bian)化剧烈,分布很不均(jun)匀,卸载后不均(jun)匀变(bian)形(xing)区域(yu)要(yao)恢(hui)复到内力(li)(li)平(ping)衡的(de)状态(tai),需要(yao)释放较大的(de)能(neng)量,从而导致回(hui)弹量变(bian)大.


2.2 晶粒尺寸对微弯曲(qu)回弹的影响

    由 表4,5,6和图5可以看出:不(bu)同(tong)晶(jing)(jing)(jing)粒(li)(li)(li)尺(chi)(chi)寸试(shi)样(yang)的(de)微弯(wan)曲(qu)存在(zai)明显的(de)尺(chi)(chi)寸效(xiao)应(ying),回(hui)弹量随着试(shi)样(yang)晶(jing)(jing)(jing)粒(li)(li)(li)尺(chi)(chi)寸的(de)增大而减小;当晶(jing)(jing)(jing)粒(li)(li)(li)尺(chi)(chi)寸大于(yu)(yu)40μm 时,回(hui)弹量的(de)减小趋势缓慢,例如对于(yu)(yu)厚度(du)为(wei)100μm 的(de)试(shi)样(yang),当试(shi)样(yang)晶(jing)(jing)(jing)粒(li)(li)(li)尺(chi)(chi)寸从9.4μm 增加(jia)到122.5μm时,回(hui)弹量下降(jiang)了48.8%.试(shi)样(yang)厚度(du)相同(tong)时,晶(jing)(jing)(jing)粒(li)(li)(li)尺(chi)(chi)寸越大,位于(yu)(yu)自由表面(mian)的(de)晶(jing)(jing)(jing)粒(li)(li)(li)数(shu)目占总晶(jing)(jing)(jing)粒(li)(li)(li)数(shu)的(de)比例越大.根据 Geiger教授的(de)表面(mian)层(ceng)模(mo)型,坯料的(de)屈服应(ying)力(li)降低,卸载后(hou)回弹(dan)量变小(xiao)[17].


2.3 弯曲(qu)半径对微弯曲(qu)回弹的影(ying)响

    由表7和图6可(ke)以看(kan)出(chu):三种厚(hou)度(du)(du)试(shi)样的(de)回(hui)(hui)弹(dan)(dan)(dan)量都(dou)是(shi)随着弯(wan)曲(qu)半(ban)径(jing)(jing)(jing)的(de)增大(da)(da)(da)(da)而(er)增大(da)(da)(da)(da),而(er)且(qie)厚(hou)度(du)(du)越(yue)(yue)小,该增大(da)(da)(da)(da)的(de)趋势越(yue)(yue)明显;在(zai)弯(wan)曲(qu)半(ban)径(jing)(jing)(jing)由1mm 增大(da)(da)(da)(da)到(dao)2.5mm 时,厚(hou)度(du)(du)为(wei) 250μm 试(shi)样的(de)回(hui)(hui)弹(dan)(dan)(dan)量增加了24.4%,而(er)厚(hou)度(du)(du)为(wei)100μm 试(shi)样的(de)则(ze)增加了33.8%.表征(zheng)回(hui)(hui)弹(dan)(dan)(dan)大(da)(da)(da)(da)小的(de)量 R/Rf (Rf 为(wei)回(hui)(hui)弹(dan)(dan)(dan)后半(ban)径(jing)(jing)(jing))与(yu)η(表征(zheng)材料弯(wan)曲(qu)时中性(xing)层位(wei)置的(de)系(xi)数)有(you)关.通常(chang)弯(wan)曲(qu)半(ban)径(jing)(jing)(jing)越(yue)(yue)大(da)(da)(da)(da),弹(dan)(dan)(dan)性(xing)变形(xing)区占的(de)比重越(yue)(yue)大(da)(da)(da)(da),回(hui)(hui)弹(dan)(dan)(dan)则(ze)越(yue)(yue)明显.因此(ci),R 越(yue)(yue)大(da)(da)(da)(da),则(ze)η 越(yue)(yue)大(da)(da)(da)(da),从(cong)而(er)导致回(hui)(hui)弹(dan)(dan)(dan)量越(yue)(yue)大(da)(da)(da)(da).

3 结 论

   (1)随着退火温(wen)度(du)的(de)(de)升(sheng)高,不同厚度(du) C5210磷青铜薄板试 样(yang)(yang) 的(de)(de) 晶(jing) 粒(li) 尺(chi) 寸(cun) 增(zeng) 大(da),并 且 退 火 的(de)(de) 温(wen) 度(du)越高,晶(jing)粒(li)尺(chi)寸(cun)增(zeng)大(da)的(de)(de)趋势(shi)越明显(xian);在相同的(de)(de)退火温(wen)度(du)下,晶(jing)粒(li)尺(chi)寸(cun)随着试样(yang)(yang)厚度(du)的(de)(de)增(zeng)加(jia)而增(zeng)大(da).

   (2)不同厚度试(shi)样(yang)的微(wei)弯曲均存在明显的尺寸效应,当试(shi)样(yang)的弯曲半径与退火温度相同时(shi),回(hui)(hui)弹量随着试(shi)样(yang)厚度的增大而减小(xiao),而且试(shi)样(yang)厚度对回(hui)(hui)弹量的影响非(fei)常(chang)显著(zhu).

   (3)在(zai)试(shi)样(yang)厚度与弯曲半径相同的(de)情况下,不、同晶(jing)粒尺(chi)寸试(shi)样(yang)的(de)微弯曲均(jun)存在(zai)明显(xian)的(de)尺(chi)寸效应,回(hui)弹量随着晶(jing)粒尺(chi)寸的(de)增大(da)(da)而(er)减小,当晶(jing)粒尺(chi)寸大(da)(da)于40μm 时,回(hui)弹量呈缓慢(man)减小趋(qu)势.

   (4)在试(shi)样厚(hou)度(du)与(yu)退(tui)火温度(du)相同的情况下,回弹量随着试(shi)样弯曲(qu)半径的增(zeng)大(da)而增(zeng)大(da),而且厚(hou)度(du)越小(xiao),回弹量增(zeng)大(da)的趋势越明显.

表7 不同弯曲半径下微弯曲后试样的回弹量

(文章来源:材料与测试网- >  >  > pp.29

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