[科普中國]-微尺度效應(yīng)

分類

微尺度效應(yīng)分為兩類：第一類尺度效應(yīng)和第二類尺度效應(yīng)。

第一類尺度效應(yīng)指能夠根據(jù)相似原理解釋或能采用傳統(tǒng)力學(xué)模型推導(dǎo)、模擬的現(xiàn)象。比如，在微尺度拉深成形過程中，隨著制件的微型化，制件表面積與體積的比率增大，從而導(dǎo)致摩擦的增大，即摩擦力與總拉深力比率的增大。第二類尺度效應(yīng)是指那些不能根據(jù)相似原理或采用傳統(tǒng)力學(xué)模型解釋、推導(dǎo)、模擬的現(xiàn)象。比如拉伸試驗(yàn)中，隨著試樣尺寸的減小，流動(dòng)應(yīng)力也相應(yīng)減小的現(xiàn)象。這種分類在概念上是比較清晰的，但是對(duì)于具體的微成形工藝分析和計(jì)算并沒有多少實(shí)質(zhì)性幫助，人們關(guān)心的是在微成形過程中材料的成形性能、變形規(guī)律、工藝性質(zhì)、工況條件等方面的微尺度效應(yīng)究竟是如何影響成形過程和制品質(zhì)量以及各種效應(yīng)的影響程度，從而在微成形系統(tǒng)設(shè)計(jì)或進(jìn)行工藝優(yōu)化時(shí)獲得有益的指導(dǎo)。因此，在大量分析已報(bào)道試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，結(jié)合具體的微成形工藝特點(diǎn)，考慮工藝分析計(jì)算、尺度效應(yīng)評(píng)估等的可操作性，從微成形工藝系統(tǒng)的角度提出微尺度效應(yīng)的另一種分類，即材料本征微尺度效應(yīng)、工藝條件微尺度效應(yīng)的分類方法。

材料本征微尺度效應(yīng)在宏觀條件下通常通過一些典型試驗(yàn)(強(qiáng)度、硬度、成形性能等試驗(yàn))來評(píng)價(jià)材料的各種性能，用這些典型條件來等效材料變形的復(fù)雜工況，根據(jù)這些典型條件下的變形規(guī)律來推求復(fù)雜工況下的變形行為。在微尺度下，微觀組織的形態(tài)和變形行為開始對(duì)材料的整體行為產(chǎn)生更大的影響，已經(jīng)超出宏觀條件下的連續(xù)介質(zhì)預(yù)設(shè)，即使在這些簡單加載條件下的典型試驗(yàn)中亦表現(xiàn)出不同于宏觀行為的現(xiàn)象。把這種由于本身物理、化學(xué)或幾何等屬性的影響，材料在典型性能試驗(yàn)條件下的微尺度變形規(guī)律表現(xiàn)出不同于宏觀規(guī)律的現(xiàn)象稱為材料本征微尺度效應(yīng)。具體表現(xiàn)為材料的晶粒尺度和形貌、變形區(qū)最小幾何尺寸以及特殊變形性質(zhì)(比如超塑性)等對(duì)材料微尺度性能的影響。如前所述，在室溫薄板拉伸試驗(yàn)中，一般而言，晶粒尺度越大屈服點(diǎn)和強(qiáng)度極限越低，板厚減小屈服點(diǎn)和強(qiáng)度極限也減小，表現(xiàn)出與晶粒尺度增大同樣的效應(yīng)。除幾何和微觀組織因素外，對(duì)于與應(yīng)變率有關(guān)的材料變形還應(yīng)考慮應(yīng)變率對(duì)材料微尺度效應(yīng)的影響，對(duì)于高溫成形的材料要考慮其高溫特性。值得注意的是，除常規(guī)多晶材料在微成形中表現(xiàn)出的材料本征微尺度效應(yīng)外，隨著適應(yīng)于微成形工藝的新材料的開發(fā)和金屬玻璃、單晶材料等的應(yīng)用，材料本征微尺度效應(yīng)也越來越多樣化、復(fù)雜化。

在微尺度下，由于具體工況的復(fù)雜性，復(fù)雜的應(yīng)力狀態(tài)仍然要用典型試驗(yàn)條件來進(jìn)行等效，復(fù)雜工況下的變形規(guī)律也必須要用典型試驗(yàn)條件下的變形規(guī)律拓展近似。對(duì)于材料本征微尺度效應(yīng)的明確界定有利于深入研究微尺度下特定工藝條件的等效關(guān)系以及變形規(guī)律近似關(guān)系的特殊性，事實(shí)上，這種等效關(guān)系也是微尺度下材料本構(gòu)關(guān)系的重要內(nèi)容。

工藝條件微尺度效應(yīng)與各種強(qiáng)度、硬度和成形性能等典型試驗(yàn)條件不同的是，在各種具體成形工藝中，材料的應(yīng)力場、應(yīng)變(速率)場、溫度場等完傘不同于典型試驗(yàn)條件下的簡單狀態(tài)，在微尺度下的非線性和拓?fù)湫愿鼮閺?fù)雜。把這種在具體成形工藝中由于微尺度邊界條件的復(fù)雜性、非線性造成的材料在成形機(jī)理、變形規(guī)律以及成形需要滿足的工藝條件等方面表現(xiàn)出的與宏觀成形不同的現(xiàn)象稱為工藝條件微尺度效應(yīng)。當(dāng)然，工藝條件微尺度效應(yīng)的體現(xiàn)仍然離不開具體材料的特性，要指出的是這里的工藝條件微尺度效應(yīng)是獨(dú)立于材料本征微尺度效應(yīng)的，是在已經(jīng)充分考慮了材料本征微尺度效應(yīng)以后具體工藝中仍然發(fā)生的區(qū)別于宏觀尺度變形的效應(yīng)。2

動(dòng)態(tài)性在金屬微成形工藝研究中，人們所考查的基本上是可觀察或可測試的靜態(tài)或準(zhǔn)靜態(tài)的尺度效應(yīng)，忽略了微尺度效應(yīng)的動(dòng)態(tài)性影響。事實(shí)上，微尺度效應(yīng)不僅僅表現(xiàn)在成形過程的開始、終了或過程中的離散點(diǎn)上，而是伴隨在微成形的整個(gè)過程中。比如，金屬單軸微拉伸試驗(yàn)中，不僅屈服點(diǎn)和強(qiáng)度極限隨著幾何比例減小而減小，整個(gè)拉伸過程中的硬化趨勢也有很大不同；在微沖裁中從開始剪切到最后脫離過程中斷面的形成、沖裁力的變化趨勢在不同幾何比例下也是不同的；微拉深、微擠壓過程中摩擦系數(shù)的變化、應(yīng)變場的分布等在不同幾何比例下也是不同的。對(duì)微尺度效應(yīng)動(dòng)態(tài)性的考查是微成形工藝研究中無法回避的問題，因?yàn)槲⒊叨刃?yīng)的動(dòng)態(tài)性規(guī)律才是區(qū)別于常規(guī)成形的真實(shí)過程，也是認(rèn)識(shí)產(chǎn)生微尺度效應(yīng)本質(zhì)原因的關(guān)鍵，只有掌握了微尺度效應(yīng)的動(dòng)態(tài)性規(guī)律才能控制相關(guān)要素實(shí)現(xiàn)精密微成形。

對(duì)于微尺度固體變形本構(gòu)關(guān)系而言，微尺度效應(yīng)的動(dòng)態(tài)性不僅涉及應(yīng)力一應(yīng)變的關(guān)系、屈服函數(shù)的表達(dá)，而且關(guān)系到屈服面的動(dòng)態(tài)變化。微尺度塑性變形中，屈服面是各向同性硬化還是機(jī)動(dòng)硬化、混合硬化或是其他更復(fù)雜更特殊的變化，以及屈服面是否具有交點(diǎn)或奇異性在微尺度效應(yīng)的動(dòng)態(tài)性中都會(huì)有所表現(xiàn)，因此從建立微尺度固體本構(gòu)理論方面來講，對(duì)微尺度效應(yīng)的動(dòng)態(tài)性的研究也是必要的。2

相關(guān)性與微尺度效應(yīng)的動(dòng)態(tài)性類似，人們對(duì)微成形過程中微尺度效應(yīng)的考查沒有考慮各個(gè)效應(yīng)的相互影響，仍然停留在單獨(dú)考查的階段，甚至在對(duì)工藝條件微尺度效應(yīng)的考查中都沒有考慮哪些是影響因素，哪些是被影響因素，這種狀態(tài)也制約了對(duì)微尺度效應(yīng)的進(jìn)一步認(rèn)識(shí)。事實(shí)上，微成形系統(tǒng)中材料或工藝條件所表現(xiàn)出來的微尺度效應(yīng)是關(guān)聯(lián)的，甚至存在很強(qiáng)的相關(guān)性。盡管在微尺度效應(yīng)的分類中，強(qiáng)調(diào)了材料本征微尺度效應(yīng)和工藝條件微尺度效應(yīng)的獨(dú)立性，但是材料在工藝條件下體現(xiàn)出的微尺度效應(yīng)(雖然無法單獨(dú)測量和表述)在各種工況必要條件中所表現(xiàn)出的微尺度效應(yīng)仍起著決定性影響。比如，各種最大、最小合理間隙；最大、最小合理圓角半徑；最大、最小壓邊力等的特殊變化都與材料有關(guān)。

此外。在工藝條件微尺度效應(yīng)中也存在著普遍的相關(guān)性。比如，摩擦條件所表現(xiàn)的微尺度效應(yīng)幾乎影響到所有與接觸有關(guān)的成形工藝，尤其體現(xiàn)在微擠壓和微拉深中。對(duì)微尺度效應(yīng)相關(guān)性的考查也是微成形工藝研究中無法回避的問題，要想真正認(rèn)識(shí)產(chǎn)生微尺度效應(yīng)的本質(zhì)原因，就必須把問題回歸到各種相互關(guān)聯(lián)的作用中去考查，才能真正將原因與結(jié)果、主動(dòng)影響與被動(dòng)表現(xiàn)的關(guān)系區(qū)分開來，從而把握主要矛盾實(shí)現(xiàn)對(duì)微成形系統(tǒng)的精確控制。

微尺度效應(yīng)的相關(guān)性在理論分析中主要體現(xiàn)在工藝計(jì)算和模擬中數(shù)學(xué)模型的建立和邊界條件的處理方面。摩擦、載荷、位移等邊界條件以及應(yīng)力一應(yīng)變的合理表述和處理都是需要考慮的問題，這也是目前相關(guān)研究中普遍忽略的問題。2

相關(guān)試驗(yàn)從材料行為方面考慮，在理想狀態(tài)下，如果不存在尺度效應(yīng)，同一材料的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)是相同的，如果應(yīng)力及載荷的大小或應(yīng)變的分布與理想狀態(tài)不同，則被認(rèn)為是由于尺度效應(yīng)引起的。尺度效應(yīng)可以通過以下試驗(yàn)體現(xiàn)出來。

（1）單軸拉伸試驗(yàn)

在成形工藝中，描述材料變形行為的基本關(guān)系是應(yīng)力一應(yīng)變曲線，因?yàn)檫@一關(guān)系直接影響到成形力、工具載荷、局部變形行為以及充模情況等。將標(biāo)準(zhǔn)樣件等比縮小，根據(jù)相似原理所進(jìn)行的拉伸試驗(yàn)表明：由于尺度效應(yīng)的影響，隨著樣件尺寸的減小，流動(dòng)應(yīng)力也呈現(xiàn)減小的趨勢。

（2）微彎曲試驗(yàn)

L.V.Raulea等的鋁薄板彎曲試驗(yàn)中保持板厚1.0mm不變，經(jīng)熱處理達(dá)到不同的晶粒度。根據(jù)厚度方向的晶粒度將試驗(yàn)所得圖表分為在多晶區(qū)和單晶區(qū)。在多晶區(qū)，隨著晶粒尺度的逐漸減小，屈服應(yīng)力相應(yīng)增大，表現(xiàn)出晶粒尺度增強(qiáng)效應(yīng)或Hall-Petch效應(yīng)。試驗(yàn)結(jié)果與晶粒度保持不變而厚度變化的單軸拉伸試驗(yàn)規(guī)律相同，可見，改變板厚和晶粒尺度的效果相同：隨著試樣厚度/晶粒度比率的增大屈服點(diǎn)逐漸增大。這也提示：表面層效應(yīng)和晶粒尺度增強(qiáng)效應(yīng)的本質(zhì)原因可能一致。在單晶區(qū)，當(dāng)晶粒尺度為試樣厚度或超過試樣厚度時(shí)，可觀察到兩個(gè)現(xiàn)象：

①隨著晶粒尺度的增大，試驗(yàn)結(jié)果的重復(fù)性越來越??；

②隨著晶粒尺度的增大，屈服點(diǎn)和彎曲平均載荷相應(yīng)增大。2