304不锈钢薄板微成形行为实验研究

摘 要：随着微成形技术的快速发展，微型零件在各行业得到广泛的应用，需求也大大增加。在微成形过程中，由于材料的晶粒尺寸越来越趋近零件的几何尺寸等，导致材料的力学性能与宏观大尺寸零件相比，呈现出不同的尺寸效应现象。针对四种厚度304不锈钢薄板进行了单向拉伸试验，测得板料的屈服应力随板料的减薄而增大，表现出“越薄越强”的尺寸效应现象，而材料延伸率随板料的减薄而减小，表现出“越薄越脆”的尺寸效应现象。

关键词：304不锈钢；尺寸效应；单向拉伸

随着现代工业的飞速发展，产品的微型化已成为工业界不可阻挡的趋势。新的挑战应运而生，微机电系统的加工质量、加工方式、加工批量等面临着新的考验。相对于宏观大尺寸零件，微型零件在一个或多个尺寸处于毫米或以下级别时，其力学性能表现出一定的尺寸效应，随着尺寸的减小，这种尺寸效应也更加明显。

国内外学者在微塑性成形技术方面的研究越来越多。德国的Engel等学者[1]通过对零件进行单向拉伸试验和翻边试验，发现随着尺寸的减小，一些几何相似材料的流动应力也相应减小；而Giger等人[2]也进行了单向拉伸试验，发现了关于材料的应力-应变变化的相关规律，即材料的延伸率、抗拉强度等相关塑性性能都随试样尺寸的减小而减小，但具体影响因素还有待探究。哈尔滨工业大学的郭斌、单德彬等教授[3]对塑性微成形变形规律进行了研究，对薄板成形中尺寸效应产生的机理进行了理论分析；上海交通大学董湘怀教授等[4]开展了塑性微成形技术和理论研究，对CuZn37黄铜板料微塑性成形中的尺寸效应进行了研究。

文章通过单向拉伸试验，对304不锈钢在试验中表现出的尺寸效应进行了理论分析。

1 单向拉伸试验

1.1 试验过程

首先将304不锈钢薄板材料通过线切割切割成试验所需的试样，试样厚度分别为200μm，100μm，50μm，20μm，以氨气为保护气体，加热到1000℃，采用退火处理方式得到均匀的晶粒组织。本实验采用KEYENCE VH-600晶粒度测量方法测量晶粒尺寸，测量较薄试样时，考虑到厚度方向上晶粒数目少，因此选取试样长度方向的晶粒测量数目。通过金相试验观察晶粒状态，试样晶粒尺寸见表1。由表1可得，试样晶粒大小随厚度的增加，无明显变化。

在CMT4000系列电子万能试验机上对不同厚度的试样进行单向拉伸试验，试验时选取合适的夹头固定试样，试样厚度20、50、100、200μm对应的拉伸速度分别为400、1000、2000、4000μm/min。在试验过程中，同种厚度试样的拉伸试验不少于3次，对3次试验数据取平均值。

1.2 应力-应变曲线分析

三次重复的单向拉伸试验获得的数据构成的曲线是位移-力曲线，经过数据处理获得各种厚度试样的真实应力-真实应变曲线，如图1所示。

图1 各厚度试样的应力-应变曲线

由应力-应变曲线，得到试样的屈服应力，各厚度对应的屈服应力见表2。

表2 试样屈服应力

由图1和表1可得，试样的初始屈服应力试验值随着厚度的减小，呈现出增加的趋势，表现出“越薄越强”的尺寸效应现像。

1.3 材料延伸率分析

延伸率是指材料在拉伸试验时断裂瞬间的最大应变量，材料的延伸率越大，塑性成形性能就越好[5]，因此延伸率是表征材料塑性性能的重要指标。

延伸率δ=■×100%

式中：L-拉伸后试样的变形长度（μm）；L-试样原长度（μm）

根据公式计算并处理试验数据，可获得材料延伸率和厚度关系曲线图，如图2所示。

由观察图2可得，材料延伸率随试样的变薄呈降低趋势，且试样越薄这种趋势越明显，在试样厚度超过50μm后增加速度趋于平缓，但仍比较显著，呈现出延伸率“越薄越弱”的尺寸效应现像。

2 结束语

文章通过对304不锈钢薄板进行单向拉伸试验，主要研究了屈服应力、延伸率这两项指标，主要结果有：随着试样厚度的减薄，表层晶粒数目的减少加强了钝化膜的效果，使屈服应力增强；塑性成形方面，材料的延伸率随着试样变薄而减小，表现出“越薄越弱”的尺寸效应现像。

参考文献

[1]Engel U， Eckstein R. Microforming-from basic research to its realization[J].Journal of Materials Processing Technology，2002，125（2）：35-44.

[2]M. Geiger，R.Eckstein. Microforming advanced technology of plasticity[C]. Proceedings of the 7th ICTP， Yokohama， Japan，2002，6：327-338.

[3]周健，郭斌，单德彬.铜箔抗拉强度及延伸率的尺寸效应研究[J].材料科学与工艺，2010，4：445-449.

[4]李河宗，董湘怀，申昱.CuZn37黄铜板料微塑性成形中的尺寸效应研究[J].材料科学与工艺，2011（8）：15-19.

[5]赵迎红，雷丽萍，曾攀.微塑性成形技术及其力学行为特征[J].塑性工程学报，2005，6：1-6.