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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:尺寸效应(ying);微弯(wan)曲;C5210磷青铜;回弹量

中图分(fen)类号:TG146.2 文献标志码(ma):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(yin) 言

    弯(wan)曲(qu)是(shi)制造(zao)钣(ban)金零件(jian)的主要成(cheng)形(xing)方法(fa),弯(wan)曲(qu)回(hui)弹是(shi)指当(dang)成(cheng)形(xing)力释放时(shi)零件(jian)所产(chan)生(sheng)的弹性回(hui)复,对(dui)零件(jian)成(cheng)形(xing)的精度有(you)重(zhong)要影响(xiang).对(dui)宏观尺寸(cun)(cun)的弯(wan)曲(qu)成(cheng)形(xing)人们已经进行了(le)(le)广泛(fan)(fan)的研(yan)究,并且很多方法(fa)已经被用(yong)来预测(ce)金属板的弯(wan)曲(qu)回(hui)弹,如解析(xi)方[1]、有(you)限元数(shu)值模拟方法(fa)[2G3]、半解析(xi)方法(fa)[4]以及(ji)试验方法(fa)等(deng).对(dui)影响(xiang)回(hui)弹的一些主要影响(xiang)因素如材料的力学性能、模具的几何形(xing)状及(ji)尺寸(cun)(cun)、成(cheng)形(xing)参数(shu)等(deng)也已经进行了(le)(le)广泛(fan)(fan)的研(yan)究[5G6].

     然而(er),当金属材料的塑性变形特征尺寸在微(wei)米或亚(ya)微(wei)米量(liang)级时,其弯(wan)曲(qu)(qu)过(guo)程和宏(hong)观弯(wan)曲(qu)(qu)过(guo)程完(wan)全不一样(yang),会体现出强烈(lie)的尺寸效(xiao)应[7],因此宏(hong)观弯(wan)曲(qu)(qu)的很(hen) 多(duo) 理 论 在 分 析 微(wei) 弯(wan) 曲(qu)(qu) 中 就 不 再(zai) 适 用 了.

STOLKEN 等(deng)[8]发(fa)现,在对(dui)镍薄梁进行(xing)弯(wan)曲(qu)时(shi),当梁的(de)(de)(de)(de)厚(hou)度(du)从50μm 下降到12.5μm 时(shi),其(qi)弯(wan)曲(qu)硬化(hua)(hua)程度(du)显著提高.张永胜等(deng)[9]和马增(zeng)(zeng)玉等(deng)[10]分(fen)别研(yan)究(jiu)了(le) 陶(tao) 瓷(ci) 和 镍 镀 层 纳 米 材 料(liao) 的(de)(de)(de)(de) 压 痕 尺 寸(cun) 效 应(ying).GAU 等(deng)[11G12]对(dui)退火处理的(de)(de)(de)(de)黄(huang)铜箔(bo)进行(xing)三(san)点弯(wan)曲(qu)试(shi)验后(hou)发(fa)现:当板厚(hou)t不(bu)(bu)超过350μm 时(shi),传统的(de)(de)(de)(de)回弹(dan)(dan)(dan)理论已不(bu)(bu)适用;黄(huang)铜箔(bo)的(de)(de)(de)(de)回弹(dan)(dan)(dan)量是相对(dui)厚(hou)度(du)t/d(d为平(ping)均晶粒直径)的(de)(de)(de)(de)函(han)数,随(sui)(sui)着(zhe)t/d 的(de)(de)(de)(de)增(zeng)(zeng)大(da),其(qi)回弹(dan)(dan)(dan)量减(jian)小.LI等(deng)[13G14]研(yan)究(jiu)了(le)微弯(wan)曲(qu)中(zhong)不(bu)(bu)同厚(hou)度(du)纯铝箔(bo)和 CuZn37黄(huang)铜箔(bo)的(de)(de)(de)(de)回弹(dan)(dan)(dan)行(xing)为,结果表明随(sui)(sui)着(zhe)材料(liao)厚(hou)度(du)的(de)(de)(de)(de)减(jian)小,试(shi)样弯(wan)曲(qu)回弹(dan)(dan)(dan)角(jiao)都呈增(zeng)(zeng)大(da)趋势,并提出了(le) 采 用 应(ying) 变 梯 度(du) 塑 性(xing)(xing) 理 论 来(lai) 解 释 这 种 行(xing) 为.CHAN 等(deng)[15]提出了(le)考虑(lv)各(ge)向(xiang)异(yi)性(xing)(xing)影(ying)响的(de)(de)(de)(de)应(ying)变强化(hua)(hua)平(ping)面应(ying)力弯(wan)曲(qu)模型(xing),研(yan)究(jiu)表明各(ge)向(xiang)异(yi)性(xing)(xing)的(de)(de)(de)(de)影(ying)响程度(du)比宏观成(cheng)形更为显著.前面的(de)(de)(de)(de)研(yan)究(jiu)材料(liao)主要集中(zhong)在黄(huang)铜、不(bu)(bu)锈钢、镍材、铝箔(bo)等,而对磷青铜的(de)研究则很少涉(she)及到.磷青铜(tong)(tong)因具有高的(de)(de)强度(du)、良好的(de)(de)塑(su)性(xing)、优良的(de)(de)导电(dian)性(xing)和(he)耐腐蚀性(xing)能优点,而被(bei)广泛应用于微(wei)(wei)机电(dian)系统.为了优化磷(lin)青(qing)(qing)铜(tong)(tong)在(zai)(zai)微(wei)(wei)塑(su)性(xing)成形中(zhong)(zhong)的(de)(de)加工(gong)(gong)工(gong)(gong)艺,系统研(yan)究(jiu)磷(lin)青(qing)(qing)铜(tong)(tong)在(zai)(zai)微(wei)(wei)成形过程中(zhong)(zhong)表现出的(de)(de)尺(chi)(chi)寸(cun)效应显得尤为重(zhong)要.因 此(ci),作 者 以 C5210 磷(lin) 青(qing)(qing) 铜(tong)(tong) 薄 板 为 试(shi) 验(yan) 材(cai)料,设计加工(gong)(gong)了一套薄板微(wei)(wei)弯曲(qu)模具,在(zai)(zai)微(wei)(wei)机控制电(dian)子万能试(shi)验(yan)机上进行了微(wei)(wei)弯曲(qu)试(shi)验(yan),研(yan)究(jiu)了试(shi)验(yan)材(cai)料的(de)(de)厚度(du)、晶粒(li)尺(chi)(chi)寸(cun)和(he)弯曲(qu)半径等相关尺(chi)(chi)寸(cun)对其微(wei)(wei)弯曲回(hui)弹的影(ying)响规律.

1 试样制备与试验方(fang)法

1.1 试样制(zhi)备(bei)

    试验材(cai)料为昆山(shan)佳辉铜(tong)业有限公司提(ti)供(gong)的轧(ya)制C5210磷(lin)青铜(tong)薄(bo)板,厚度(du)分(fen)别为50μm,100μm 和250μm,化学成(cheng)分(fen)如表1所示.为了排除供(gong)应原材(cai)料冷(leng)轧(ya)加(jia)工硬(ying)化对(dui)(dui)试验结果(guo)的影响(xiang),试验前采(cai)用(yong)在充(chong)满氮气的环境下(xia)对(dui)(dui)试样进(jin)行热(re)(re)处理(li),将三种不(bu)同(tong)厚度(du)的试样分(fen)别加(jia)热(re)(re)至300,400,500,600,700℃并(bing)保温1h后随(sui)炉冷(leng)却.热(re)(re)处理(li)后制备金(jin)相(xiang)试样并(bing)进(jin)行显微组织观察,腐蚀液(ye)为1.5gFeCl3、1mL HCl和48 mLC2H5OH 配制得(de)到的溶(rong)液(ye),腐蚀时间为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(ce)得试(shi)(shi)样(yang)在不(bu)同工(gong)艺退(tui) 火 热 处 理 后(hou) 的(de)(de) 平 均 晶 粒(li) 尺 寸(cun) d. 按 照 GB/T15825.5-1995 中对(dui)弯曲(qu)试(shi)(shi)样(yang)的(de)(de)要求(qiu),将试(shi)(shi)样(yang)尺寸(cun)进(jin)行一定比例的(de)(de)缩(suo)小,采用(yong)精(jing)细电(dian)火花线切割加(jia)工(gong)出长为(wei)30mm、宽为(wei)5 mm 的(de)(de)矩形试(shi)(shi)样(yang),试(shi)(shi)样(yang)宽度(du)误差小于(yu)5μm.试(shi)(shi)验(yan)(yan)(yan)中采用(yong)的(de)(de)三点微(wei)弯曲(qu)模具如图1所示(shi)(shi),该结构的(de)(de)凹模支座跨距连续(xu)可调,冲头定位(wei)精(jing)度(du)高且方便拆卸,对(dui)于(yu)微(wei)小试(shi)(shi)样(yang)易于(yu)定位(wei).在 RGG2000型微(wei)机控(kong)制电(dian)子万(wan)能试(shi)(shi)验(yan)(yan)(yan)机上进(jin)行微(wei)弯曲(qu)试(shi)(shi)验(yan)(yan)(yan).采用(yong)微(wei)机控(kong)制整个试(shi)(shi)验(yan)(yan)(yan)过程(cheng),实时动态(tai)显示(shi)(shi)力值(zhi)、位(wei)移值(zhi)、变形值(zhi)和试(shi)(shi)验(yan)(yan)(yan)曲(qu)线,可进(jin)行试(shi)(shi)验(yan)(yan)(yan)力、变形、位(wei)移等参数(shu)的控制.

图1 微弯曲模具示意


     试(shi)验(yan)(yan)过程(cheng)中加(jia)载速度(du)为(wei)(wei)5mm??min-1,弯(wan)(wan)曲半径分别为(wei)(wei)1.0,1.5,2.0,2.5 mm,压下量为(wei)(wei)10 mm,根据 GB/T232-2010计算出凹模两支(zhi)辊(gun)之(zhi)间(jian)的(de)距离L,重点研究坯(pi)料厚度(du)(t)、晶粒(li)尺寸(d)、弯(wan)(wan)曲半径(R)等因(yin)素对磷青铜(tong)薄板微弯(wan)(wan)曲回弹(dan)的(de)影(ying)响.微弯(wan)(wan)曲后(hou)的(de)试(shi)样通过扫描仪(yi)扫描成图(tu)片后(hou),把图(tu)片导入 AutoGCAD软件(jian)对其回弹(dan)后(hou)的(de)角度(du)进行测(ce)量,如下图(tu)2所(suo)示.同样的(de)试(shi)验(yan)(yan)条件(jian)下进行5次微弯(wan)(wan)曲试(shi)验(yan)(yan),测(ce)得的(de)结果取平均值作为(wei)(wei)该条件(jian)下的(de)最终(zhong)试(shi)验(yan)(yan)结果.

CAD软件中测量回弹后的角度示意


2 试验(yan)结果与讨论

2.1 退火温度对晶(jing)粒尺寸的(de)影响(xiang)

    由图3和表2可知:不(bu)同厚(hou)(hou)度的(de)试(shi)(shi)样(yang)(yang)随(sui)着(zhe)退(tui)(tui)火(huo)(huo)温(wen)(wen)度的(de)升高(gao)(gao),晶粒(li)尺(chi)寸(cun)(cun)增(zeng)(zeng)大(da)(da),并且(qie)退(tui)(tui)火(huo)(huo)的(de)温(wen)(wen)度越(yue)高(gao)(gao),晶粒(li)尺(chi)寸(cun)(cun)增(zeng)(zeng)大(da)(da)的(de)趋势越(yue)明显,在700℃退(tui)(tui)火(huo)(huo)后(hou),晶粒(li)尺(chi)寸(cun)(cun)甚至超过试(shi)(shi)样(yang)(yang)的(de)厚(hou)(hou)度;另外,由于(yu)轧制时薄板变形量不(bu)同,不(bu)同厚(hou)(hou)度的(de)试(shi)(shi)样(yang)(yang)在同一温(wen)(wen)度下退(tui)(tui)火(huo)(huo)后(hou),晶粒(li) 尺(chi)寸(cun)(cun)随(sui)着(zhe)试(shi)(shi)样(yang)(yang)厚(hou)(hou)度的(de)增(zeng)(zeng)加而增(zeng)(zeng)大(da)(da),例如(ru)在同一温(wen)(wen)度下退(tui)(tui)火(huo)(huo)后(hou),250μm 厚(hou)(hou)度试(shi)(shi)样(yang)(yang)的(de)晶粒(li)尺(chi)寸(cun)(cun)明显大(da)(da)于(yu)50μm 厚(hou)(hou)度的(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(qu)回弹的影(ying)响

     由图4可(ke)以看出(chu)(chu):不(bu)同厚度(du)试样的(de)微弯曲(qu)(qu)存在明显的(de)尺寸效应(ying),当弯曲(qu)(qu)半径与退(tui)火(huo)温(wen)度(du)相同时(shi),回弹(dan)(dan)量随(sui)着(zhe)试样厚度(du)的(de)增(zeng)大(da)而(er)减小,而(er)且(qie)(qie)试样厚度(du)对回弹(dan)(dan)量的(de)影响(xiang)非常显著.从表3中可(ke)以得(de)出(chu)(chu):弯曲(qu)(qu)半径为(wei)1mm,试样退(tui)火(huo)温(wen)度(du)为(wei)300 ℃时(shi),当试样厚度(du)从250μm 减小到(dao)(dao)50μm 时(shi),回弹(dan)(dan)量由5.6°增(zeng)加到(dao)(dao)了68.2°,并且(qie)(qie)随(sui)着(zhe)厚度(du)的(de)减小,回弹(dan)(dan)量的(de)增(zeng)加程

度越来越明(ming)显(xian).根据公(gong)(gong)式推(tui)导[16],当弯曲半径相(xiang)同(tong)时,中性层位置系数(shu)η随板(ban)厚(hou)的(de)减小而增大,因而回弹(dan)量(liang)也越大,产生了(le)明(ming)显(xian)的(de)尺寸(cun)效应现象(xiang).表征弯曲表层应变(bian)量(liang)的(de)公(gong)(gong)式为



    式(shi)中(zhong):ε为弯(wan)曲表层应变.在相(xiang)同的(de)弯(wan)曲半径下,试样(yang)的(de)厚度越大(da),表层应变ε越大(da),试样(yang)发生(sheng)塑性变形的(de)程度也(ye)越大(da),卸载后回(hui)弹越(yue)小;回(hui)弹是由试样(yang)上应力(li)(li)应变(bian)分(fen)布(bu)不均(jun)匀引(yin)起的(de),对于厚度较小的(de)试样(yang),沿着(zhe)板(ban)厚方向的(de)应力(li)(li)应变(bian)变(bian)化剧烈,分(fen)布(bu)很不均(jun)匀,卸(xie)载后不均(jun)匀变(bian)形区域(yu)要恢复到内力(li)(li)平衡的(de)状态,需要释放较大的(de)能量,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(you) 表(biao)4,5,6和图5可以看出(chu):不同晶粒尺(chi)寸(cun)(cun)试(shi)(shi)样(yang)(yang)的微弯曲(qu)存(cun)在明显的尺(chi)寸(cun)(cun)效(xiao)应,回弹(dan)量随(sui)着(zhe)试(shi)(shi)样(yang)(yang)晶粒尺(chi)寸(cun)(cun)的增(zeng)大而减(jian)(jian)小(xiao);当晶粒尺(chi)寸(cun)(cun)大于40μm 时,回弹(dan)量的减(jian)(jian)小(xiao)趋势(shi)缓慢(man),例如对于厚度为100μm 的试(shi)(shi)样(yang)(yang),当试(shi)(shi)样(yang)(yang)晶粒尺(chi)寸(cun)(cun)从9.4μm 增(zeng)加(jia)到122.5μm时,回弹(dan)量下降(jiang)了48.8%.试(shi)(shi)样(yang)(yang)厚度相同时,晶粒尺(chi)寸(cun)(cun)越大,位(wei)于自(zi)由(you)表(biao)面(mian)的晶粒数目占总晶粒数的比例(li)越大.根据 Geiger教(jiao)授的(de)表面层模型,坯料的(de)屈服应力降低,卸载(zai)后回弹量变小[17].


2.3 弯(wan)曲半径(jing)对微弯(wan)曲回弹的影响(xiang)

    由(you)表7和图6可以看出:三(san)种厚(hou)(hou)度(du)(du)试样的(de)(de)(de)回(hui)弹(dan)量都(dou)是随着弯(wan)曲(qu)半(ban)径的(de)(de)(de)增(zeng)(zeng)大(da)(da)(da)而增(zeng)(zeng)大(da)(da)(da),而且厚(hou)(hou)度(du)(du)越小,该增(zeng)(zeng)大(da)(da)(da)的(de)(de)(de)趋(qu)势越明显;在弯(wan)曲(qu)半(ban)径由(you)1mm 增(zeng)(zeng)大(da)(da)(da)到(dao)2.5mm 时,厚(hou)(hou)度(du)(du)为 250μm 试样的(de)(de)(de)回(hui)弹(dan)量增(zeng)(zeng)加(jia)了24.4%,而厚(hou)(hou)度(du)(du)为100μm 试样的(de)(de)(de)则(ze)增(zeng)(zeng)加(jia)了33.8%.表征(zheng)回(hui)弹(dan)大(da)(da)(da)小的(de)(de)(de)量 R/Rf (Rf 为回(hui)弹(dan)后半(ban)径)与η(表征(zheng)材料弯(wan)曲(qu)时中性层位置的(de)(de)(de)系数)有关(guan).通常弯(wan)曲(qu)半(ban)径越大(da)(da)(da),弹(dan)性变形区占的(de)(de)(de)比(bi)重越大(da)(da)(da),回(hui)弹(dan)则(ze)越明显.因(yin)此,R 越大(da)(da)(da),则(ze)η 越大(da)(da)(da),从而导(dao)致回(hui)弹(dan)量越大(da)(da)(da).

3 结 论

   (1)随(sui)着(zhe)退(tui)火(huo)温(wen)度的(de)(de)升高(gao),不同厚度 C5210磷(lin)青铜薄板试(shi) 样 的(de)(de) 晶(jing) 粒 尺 寸 增(zeng)(zeng) 大(da),并 且 退(tui) 火(huo) 的(de)(de) 温(wen) 度越高(gao),晶(jing)粒尺寸增(zeng)(zeng)大(da)的(de)(de)趋势越明显;在相同的(de)(de)退(tui)火(huo)温(wen)度下,晶(jing)粒尺寸随(sui)着(zhe)试(shi)样厚度的(de)(de)增(zeng)(zeng)加而增(zeng)(zeng)大(da).

   (2)不同厚(hou)度试(shi)样的(de)(de)微弯曲(qu)均存在明(ming)显的(de)(de)尺(chi)寸效应,当(dang)试(shi)样的(de)(de)弯曲(qu)半(ban)径与退(tui)火温度相同时,回弹(dan)(dan)量随着(zhe)试(shi)样厚(hou)度的(de)(de)增大而减小,而且试(shi)样厚(hou)度对回弹(dan)(dan)量的(de)(de)影(ying)响非常显著.

   (3)在(zai)试样厚度与弯曲(qu)半径相同的(de)情况下,不、同晶粒尺(chi)寸(cun)(cun)试样的(de)微弯曲(qu)均(jun)存(cun)在(zai)明显的(de)尺(chi)寸(cun)(cun)效应,回(hui)弹量随着晶粒尺(chi)寸(cun)(cun)的(de)增大(da)而减小(xiao),当(dang)晶粒尺(chi)寸(cun)(cun)大(da)于(yu)40μm 时(shi),回(hui)弹量呈缓慢减小(xiao)趋势.

   (4)在试(shi)样厚度(du)与退火温(wen)度(du)相同的情况下,回弹量随着试(shi)样弯曲半径的增(zeng)大而增(zeng)大,而且厚度(du)越(yue)小,回弹量增(zeng)大的趋(qu)势(shi)越(yue)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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