劉慧慧１,王 欣２,歐陽金棟１,易 龍１,郝傳海１,張 博１

(１．江西洪都航空工業(yè)集團有限責任公司,南昌３３００２４;２．江鈴汽車股份有限公司,南昌 ３３００２４)

    摘 要:采用 RGＧ２０００型微機控制電子萬能試驗機,通過微彎曲試驗,研究了 C５２１０磷青銅薄板的厚度、晶粒尺寸以及彎曲半徑等相關(guān)尺寸對其微彎曲回彈的影響.結(jié)果表明:C５２１０磷青銅薄板的厚度、晶粒尺寸和彎曲半徑等對其回彈均有顯著的影響,具有明顯的尺寸效應;薄板的厚度越大,回彈量越小,厚度對回彈量的影響非常顯著;薄板的晶粒尺寸越大,回彈量越小,當晶粒尺寸大于４０μm 時,回彈量呈緩慢減小趨勢;回彈量隨著彎曲半徑的增大而增大,而且薄板的厚度越小,增大的趨勢越明顯.

關(guān)鍵詞:尺寸效應;微彎曲;C５２１０磷青銅;回彈量

中圖分類號:TG１４６．２ 文獻標志碼:A 文章編號: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

    彎曲是制造鈑金零件的主要成形方法,彎曲回彈是指當成形力釋放時零件所產(chǎn)生的彈性回復,對零件成形的精度有重要影響.對宏觀尺寸的彎曲成形人們已經(jīng)進行了廣泛的研究,并且很多方法已經(jīng)被用來預測金屬板的彎曲回彈,如解析方[１]、有限元數(shù)值模擬方法[２Ｇ３]、半解析方法[４]以及試驗方法等.對影響回彈的一些主要影響因素如材料的力學性能、模具的幾何形狀及尺寸、成形參數(shù)等也已經(jīng)進行了廣泛的研究[５Ｇ６].

     然而,當金屬材料的塑性變形特征尺寸在微米或亞微米量級時,其彎曲過程和宏觀彎曲過程完全不一樣,會體現(xiàn)出強烈的尺寸效應[７],因此宏觀彎曲的很 多 理 論 在 分 析 微 彎 曲 中 就 不 再 適 用 了.

STOLKEN 等[８]發(fā)現(xiàn),在對鎳薄梁進行彎曲時,當梁的厚度從５０μm 下降到１２．５μm 時,其彎曲硬化程度顯著提高.張永勝等[９]和馬增玉等[１０]分別研究了 陶 瓷 和 鎳 鍍 層 納 米 材 料 的 壓 痕 尺 寸 效 應.GAU 等[１１Ｇ１２]對退火處理的黃銅箔進行三點彎曲試驗后發(fā)現(xiàn):當板厚t不超過３５０μm 時,傳統(tǒng)的回彈理論已不適用;黃銅箔的回彈量是相對厚度t/d(d為平均晶粒直徑)的函數(shù),隨著t/d 的增大,其回彈量減小.LI等[１３Ｇ１４]研究了微彎曲中不同厚度純鋁箔和 CuZn３７黃銅箔的回彈行為,結(jié)果表明隨著材料厚度的減小,試樣彎曲回彈角都呈增大趨勢,并提出了 采 用 應 變 梯 度 塑 性 理 論 來 解 釋 這 種 行 為.CHAN 等[１５]提出了考慮各向異性影響的應變強化平面應力彎曲模型,研究表明各向異性的影響程度比宏觀成形更為顯著.前面的研究材料主要集中在黃銅、不銹鋼、鎳材、鋁箔等,而對磷青銅的研究則很少涉及到.磷青銅因具有高的強度、良好的塑性、優(yōu)良的導電性和耐腐蝕性能優(yōu)點,而被廣泛應用于微機電系統(tǒng).為了優(yōu)化磷青銅在微塑性成形中的加工工藝,系統(tǒng)研究磷青銅在微成形過程中表現(xiàn)出的尺寸效應顯得尤為重要.因 此,作 者 以 C５２１０ 磷 青 銅 薄 板 為 試 驗 材料,設計加工了一套薄板微彎曲模具,在微機控制電子萬能試驗機上進行了微彎曲試驗,研究了試驗材料的厚度、晶粒尺寸和彎曲半徑等相關(guān)尺寸對其微彎曲回彈的影響規(guī)律.

１ 試樣制備與試驗方法

１．１ 試樣制備

    試驗材料為昆山佳輝銅業(yè)有限公司提供的軋制C５２１０磷青銅薄板,厚度分別為５０μm,１００μm 和２５０μm,化學成分如表１所示.為了排除供應原材料冷軋加工硬化對試驗結(jié)果的影響,試驗前采用在充滿氮氣的環(huán)境下對試樣進行熱處理,將三種不同厚度的試樣分別加熱至３００,４００,５００,６００,７００℃并保溫１h后隨爐冷卻.熱處理后制備金相試樣并進行顯微組織觀察,腐蝕液為１．５gFeCl３、１mL HCl和４８ mLC２H５OH 配制得到的溶液,腐蝕時間為１５s.

１．２ 試驗方法

     根據(jù) ASTM E１１２－２００４測得試樣在不同工藝退 火 熱 處 理 后 的 平 均 晶 粒 尺 寸 d. 按 照 GB/T１５８２５．５－１９９５ 中對彎曲試樣的要求,將試樣尺寸進行一定比例的縮小,采用精細電火花線切割加工出長為３０mm、寬為５ mm 的矩形試樣,試樣寬度誤差小于５μm.試驗中采用的三點微彎曲模具如圖１所示,該結(jié)構(gòu)的凹模支座跨距連續(xù)可調(diào),沖頭定位精度高且方便拆卸,對于微小試樣易于定位.在 RGＧ２０００型微機控制電子萬能試驗機上進行微彎曲試驗.采用微機控制整個試驗過程,實時動態(tài)顯示力值、位移值、變形值和試驗曲線,可進行試驗力、變形、位移等參數(shù)的控制.

     試驗過程中加載速度為５mm??min－１,彎曲半徑分別為１．０,１．５,２．０,２．５ mm,壓下量為１０ mm,根據(jù) GB/T２３２－２０１０計算出凹模兩支輥之間的距離L,重點研究坯料厚度(t)、晶粒尺寸(d)、彎曲半徑(R)等因素對磷青銅薄板微彎曲回彈的影響.微彎曲后的試樣通過掃描儀掃描成圖片后,把圖片導入 AutoＧCAD軟件對其回彈后的角度進行測量,如下圖２所示.同樣的試驗條件下進行５次微彎曲試驗,測得的結(jié)果取平均值作為該條件下的最終試驗結(jié)果.

２ 試驗結(jié)果與討論

２．１ 退火溫度對晶粒尺寸的影響

    由圖３和表２可知:不同厚度的試樣隨著退火溫度的升高,晶粒尺寸增大,并且退火的溫度越高,晶粒尺寸增大的趨勢越明顯,在７００℃退火后,晶粒尺寸甚至超過試樣的厚度;另外,由于軋制時薄板變形量不同,不同厚度的試樣在同一溫度下退火后,晶粒 尺寸隨著試樣厚度的增加而增大,例如在同一溫度下退火后,２５０μm 厚度試樣的晶粒尺寸明顯大于５０μm 厚度的.

２．２ 試樣厚度對微彎曲回彈的影響

     由圖４可以看出:不同厚度試樣的微彎曲存在明顯的尺寸效應,當彎曲半徑與退火溫度相同時,回彈量隨著試樣厚度的增大而減小,而且試樣厚度對回彈量的影響非常顯著.從表３中可以得出:彎曲半徑為１mm,試樣退火溫度為３００ ℃時,當試樣厚度從２５０μm 減小到５０μm 時,回彈量由５．６°增加到了６８．２°,并且隨著厚度的減小,回彈量的增加程

度越來越明顯.根據(jù)公式推導[１６],當彎曲半徑相同時,中性層位置系數(shù)η隨板厚的減小而增大,因而回彈量也越大,產(chǎn)生了明顯的尺寸效應現(xiàn)象.表征彎曲表層應變量的公式為

    式中:ε為彎曲表層應變.在相同的彎曲半徑下,試樣的厚度越大,表層應變ε越大,試樣發(fā)生塑性變形的程度也越大,卸載后回彈越小;回彈是由試樣上應力應變分布不均勻引起的,對于厚度較小的試樣,沿著板厚方向的應力應變變化劇烈,分布很不均勻,卸載后不均勻變形區(qū)域要恢復到內(nèi)力平衡的狀態(tài),需要釋放較大的能量,從而導致回彈量變大.

２．２ 晶粒尺寸對微彎曲回彈的影響

    由 表４,５,６和圖５可以看出:不同晶粒尺寸試樣的微彎曲存在明顯的尺寸效應,回彈量隨著試樣晶粒尺寸的增大而減小;當晶粒尺寸大于４０μm 時,回彈量的減小趨勢緩慢,例如對于厚度為１００μm 的試樣,當試樣晶粒尺寸從９．４μm 增加到１２２．５μm時,回彈量下降了４８．８％.試樣厚度相同時,晶粒尺寸越大,位于自由表面的晶粒數(shù)目占總晶粒數(shù)的比例越大.根據(jù) Geiger教授的表面層模型,坯料的屈服應力降低,卸載后回彈量變小[１７].

２．３ 彎曲半徑對微彎曲回彈的影響

    由表７和圖６可以看出:三種厚度試樣的回彈量都是隨著彎曲半徑的增大而增大,而且厚度越小,該增大的趨勢越明顯;在彎曲半徑由１mm 增大到２．５mm 時,厚度為 ２５０μm 試樣的回彈量增加了２４．４％,而厚度為１００μm 試樣的則增加了３３．８％.表征回彈大小的量 R/Rf (Rf 為回彈后半徑)與η(表征材料彎曲時中性層位置的系數(shù))有關(guān).通常彎曲半徑越大,彈性變形區(qū)占的比重越大,回彈則越明顯.因此,R 越大,則η 越大,從而導致回彈量越大.

３ 結(jié) 論

   (１)隨著退火溫度的升高,不同厚度 C５２１０磷青銅薄板試 樣 的 晶 粒 尺 寸 增 大,并 且 退 火 的 溫 度越高,晶粒尺寸增大的趨勢越明顯;在相同的退火溫度下,晶粒尺寸隨著試樣厚度的增加而增大.

   (２)不同厚度試樣的微彎曲均存在明顯的尺寸效應,當試樣的彎曲半徑與退火溫度相同時,回彈量隨著試樣厚度的增大而減小,而且試樣厚度對回彈量的影響非常顯著.

   (３)在試樣厚度與彎曲半徑相同的情況下,不、同晶粒尺寸試樣的微彎曲均存在明顯的尺寸效應,回彈量隨著晶粒尺寸的增大而減小,當晶粒尺寸大于４０μm 時,回彈量呈緩慢減小趨勢.

   (４)在試樣厚度與退火溫度相同的情況下,回彈量隨著試樣彎曲半徑的增大而增大,而且厚度越小,回彈量增大的趨勢越明顯.

（文章來源：材料與測試網(wǎng)-機械工程材料 > 2017年 > 7期 > pp.29）