微成形中的尺寸效应及种类
微塑性成形技术的现状及研究进展
微塑性成形技术的现状及研究进展摘要：目前我国伴随科技的发展对微小型化的需求越来越大，这也促进了时代的进步和人民生活水平的提高。
微塑性成形技术占有很重要的地位。
文章主要介绍了微塑性成形技术的背景和意义，并综述了微塑性成形技术的尺度效应和摩擦尺度效应现象，阐明了其技术的研究领域。
关键词：微塑性成形；尺度效应；摩擦随着科技的飞速发展及人们对多功能电子产品小型化的需求，微细加工的技术迅速成为当前的研究和应用热点。
微塑性成形（Micro-forming）技术[1]，是指利用材料的塑性变形来生产至少在两维方向上尺寸处于几mm以下零件的技术。
这一技术继承了传统塑性加工技术的高生产率、最小或零材料损失、产品力学性能优秀和误差小的特点，可批量成形各种复杂形状的微小零件。
微制造技术的发展来源于产品微细化的要求，越来越多的用户希望随身用的多功能电子器件体积小型化、功能集成化[2]，而在医疗器械、传感器及电子器械等医疗、工业控制等行业也需要制造出更微小的零件[3]，以期得到更高的功能要求。
因此，微塑性成形技术有很强的在短时间内得到快速的发展。
一、微塑性成形的尺度效应在成形工艺中，描述材料变形行为的主要参数是流动应力和变形曲线（即应力应变变化关系），因为这些参数直接影响到成形力、工具载荷、局部变形行为以及充模情况等。
根据相似原理将标准样件等比缩小设计，进行的拉伸和镦粗试验表明：由于尺度效应的影响，随着样件尺度的减小，流动应力也呈现减小的趋势。
晶粒尺度对材料应力应变关系已经在宏观成形工艺中得到充分的研究，为了研究微细成形中特有的尺度效应现象，在这些试验中，不同尺度样件的晶粒尺度保持相同的，所以可以肯定实验中观测到的流动应力减小现象与晶粒尺度的变化无关，主要是由尺度微小化引起的。
对于流动应力减小的现象，通常可以用表面层模型解释对于流动应力减小的现象，通常可以用表面层模型解释，如图1所示。
表面层模型认为在小尺度的情况下，材料变形已经不符合各向同性连续体的变化规律，在小尺度情况下（根据晶粒尺度与制件局部变形尺度的比率判断），表面晶粒增多，表面层变厚。
微成型技术
微成形领域的基本问题
我们可以将微成形领域中的 问题分为四个部分：材料， 工艺，工具和设备。
尺寸效应
随着尺寸的变化而带来的一系列问题我们称 为尺寸效应，在微成形领域中这个效应越发 显著。
我们大致可以将尺寸效应分为两大类：流动 应力尺寸效应和摩擦尺寸效应。
LIGA技术的三个基本步骤：
借助同步辐射X光实现的厚 胶曝光、将样品结构浸入 电解液中在凹槽处电镀金 属和实现微复制的注塑成 形。
1.随着传统小型化的发展和MST的应用领域渐 渐增加，机械组件和金属微型零件将会有一个 很大的市场前景。
2.成型技术能够很好的满足市场的要求，作为 一种技术补充，在经济和生态因素、高准确性、 良好的机械性能和可靠性上有着很大的潜力。
流动应力尺寸效应
国内外学者在微成形领域的研究中发现，随着尺 寸的变小，材料成形的流动应力，延伸率，屈服 强度等都出现了不同程度的减少。
摩擦尺寸效应
摩擦是金属塑性成形中至关重要的一个因素。擦力随着尺寸的不断减少 反而不断增大。而其变化的原因是因为摩擦因 子会随着尺寸的不断减少而不断增大。
摩擦力对拉伸成形的影响十分大，对制品进 行润滑可以改善制品的成形性能。
微细电火花技术
微细电火花加工技术概述
微细电火花加工可用于加工所有导电材料而不 考虑材料的硬度等机械性能。
常用的微细电火花加工技术有：深等离子蚀刻 技术；微细超声加工；微细电解加工等。
微细电火花加工技术的基本原理
LIGA技术与准LIGA技术
3.微成型技术方面目前仍然没有很大突破。
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微成形技术
微成形技术大致可分为微体积成形和微薄板成形 两类。
3特种塑性成形-微塑性解析
原因分析： 流动应力=内部晶粒产生的+外部晶粒产生的 外部晶粒产生的流动应力小：（1）外部晶粒具有大量的 自由表明，自由表面上不会堆积位错；（2）外部晶粒不像 内部晶粒需要相互协调，易通过晶粒转动。故试样尺寸减 小，外部晶粒所占比例越大，引起流动应力降低。N值很小 时，将会具有单晶的性质，导致流动应力增加。
微塑性成形仅是传统塑性成形在尺寸上的减小，即成形 规律、变形规律及摩擦等是相同的吗？
§3.2 微塑性成形理论基础
微塑性成形中的尺寸效应： 是指成形过程的力学性能和变形行为表现出 的对尺寸的相关性。 主要包括：材料流动应力的尺寸效应 摩擦的尺寸效应 变形均匀性的尺寸效应 充填性能的尺寸效应
材料流动应力的尺寸效应
微型零件可以 促进产品的功 能集成化和体 积的微小化。
微型挡圈
微型齿轮
微成形：成形零件或结构至少在两唯尺度上在介关尺寸 范围内的成形加工。一般来讲成形特征尺寸在 0.01-1mm。 微塑性成形：成形零件或结构至少在两唯尺度上在介关尺寸 范围内的塑性成形加工。 微塑性成形目前主要集中微塑性板材成形（弯曲、冲压、拉 伸）和微体积成形（挤压和模锻）
变形均匀性的尺寸效应 由于试样中存在可数的晶粒，材料不再具有各向同 性特点，呈现明显的各向异性，即不均匀性。
宏观塑性变形是各个 晶粒变形的宏观表现 。微塑性变形因边界 晶粒几乎不受内部晶 粒约束，其变形都是 沿着自身容易变形的 方向进行。
例：微塑性成形后，边界产生裂纹或 晶粒被挤出
粗晶和细晶板材弯曲变形时的应变分布
就微成形技术而言，研究重点与难点在于装备的微位 移控制和微模具的加工。请同学们就以上技术查阅文献 ，下节课请1-2位同学具体介绍一种微位移控制技术或微 细模具加工技术。
微电子材料在微塑成形中的尺度效应
微电子材料在微塑成形中的尺度效应*王匀，孙日文，许桢英，张凯，袁国定（江苏大学机械工程学院，江苏镇江212013）*基金项目：国家自然科学基金资助项目（50605029）；中国博士后科学基金资助项目（20060390961）；江苏省自然科学基金资助项目（BK2006551）；高级人才启动基金资助项目（128300090；128300087）收到稿件日期：2007-04-24通讯作者：许桢英作者简介：王匀（1975－），男，江苏无锡人，副教授，博士后，主要从事CAD/CAE/CAM 、微成形研究。
摘要：微电子材料在微机电系统（MEMS ）的发展中越来越受到青睐，但是其工艺加工的不足限制了实际应用的步伐。
微塑性成形可以成形微电子器件，由于其尺寸微型化，在微塑性成形中存在一个不可避免的“尺度效应”问题，尺度效应表现在材料的流动行为、成形中摩擦效应和实验结果的分散性上。
在介绍尺度效应的基础上对其进行了分类，给出了判断标准，并从流动应力、晶粒尺度、摩擦效应和温度效应等方面综述了尺度效应对微塑性成形的影响。
由于基于连续介质的传统塑性力学理论无法解释微塑性成形过程中的尺度效应，因此引入了非均匀介质的塑性应变梯度理论并进行了探讨，最后指出了尺度效应的研究发展方向，从而促进微电子材料的开发应用。
关键词：微塑性成形；微电子材料；尺度效应；流动应力；塑性应变梯度中图分类号：TG301文献标识码：A文章编号：1001-9731(2007)增刊-0926-041引言具有特殊电、磁、光、声、热、力、化学以及生物功能的新型功能材料是新材料领域的核心，推动和支撑了高新技术的发展。
其中作为微电子器件构成材料之一的微电子材料在微机电系统（MEMS ）的发展中越来越受到青睐，其相应的研发和工艺加工研究也引起各国的重视，我国对其未来的发展目标之一是使微电子相关材料性能指标达到0.10～0.13μm 技术要求，然而传统的依赖超精密机械加工、LIGA 和光刻蚀刻等微细加工技术已无法满足三维微电子材料零件的加工以及批量生产要求，也限制了加工材料的多样性。
微电子器件的尺寸效应研究
微电子器件的尺寸效应研究一、微电子器件简介微电子器件是一种用于处理和控制电信号的设备，包括晶体管、二极管、MOSFET（金氧半场效应晶体管）等。
微电子器件的尺寸越来越小，制造出的器件具有更高效率和更快的速度。
二、微电子器件的尺寸效应微电子器件的尺寸效应是指当器件尺寸减小到纳米级别以下时，器件表现出不同于传统二极管和晶体管的行为，这种现象被称为器件的尺寸效应。
尺寸效应包括电场效应和量子效应。
1. 电场效应当晶体管或MOSFET的通道长度缩短到几个纳米以下时，电场在器件中呈高度非均匀分布。
这种电场的非均匀性会增加电子的散射，导致电子在器件中传输的能力下降，这个现象被称为电场致使的效应。
2. 量子效应量子效应是指在微米级别以下的尺寸范围内，量子力学效应变得显著，如量子隧穿效应、能级分裂等。
这种效应将导致传输特性的变化和能级结构的重构。
三、尺寸效应对微电子器件的影响微电子器件的尺寸效应对它们的性能和特性有广泛的影响。
1. 频率当MOSFET的通道长度到几个纳米以下时，频率响应会出现巨大的下降。
这是由于以太网等高速通讯设备中使用的半导体器件的传输速度限制了它们的可靠性。
2. 电路稳定性尺寸效应会降低电路的稳定性，导致器件中的噪声增加，带来更多的混叠。
这种效应会导致微电子器件的性能和可靠性下降，也会影响微电子器件在高温和放射性环境下的工作。
3. 能耗尺寸效应会导致器件中的漏电流增加，从而导致能耗增加。
这会使微电子器件在高性能计算系统等需要大量计算能力和能效平衡的应用中受到影响。
四、克服尺寸效应的方法为了克服微电子器件的尺寸效应，许多新技术和材料已经得到应用。
1. 增加材料的宽度和厚度增加MOSFET通道的宽度和厚度可以减少电场的非均匀性，从而减少电子的散射。
这将使器件变得更加可靠和更适合高频率应用。
2. 研究新材料现在研究用于制造微电子器件的新材料，包括碳纳米管、二维材料和量子点等。
3. 纯化材料尺寸效应可能导致非均匀和杂质带来的非理想性质。
MEMS复习题(附参考答案)
08’MEMS复习题1.MEMS的概念，MEMS产品应用。
MEMS（Micro-Electro-Mechanical Systems）是指微型化的器件或器件组合，把电子功能与机械的、光学的或其他的功能形结合的综合集成系统，采用微型结构（集微型传感器、微型执行器、信号处理和控制电路、接口电路、通信系统以及电源），使之能在极小的空间内达到智能化的功效。
MEMS 是Micro Electro Mechanincal System 的缩写，即微机电系统，专指外形轮廓尺寸在毫米级以下，构成它的机械零件和半导体元器件尺寸在微米至纳米级，可对声、光、热、磁、压力、运动等自然信息进行感知、识别、控制和处理的微型机电装置。
微机电系统（MEMS）主要特点在于：（1）体积小、精度高、质量轻;(2)性能稳定、可靠性高；（3）能耗低，灵敏度和工作效率高；（4）多功能及智能化;（5）可以实现低成本大批量生产。
民用：MEMS对航空、航天、兵器、水下、汽车、信息、环境、生物工程、医疗等领域的发展正在产生重大影响，将使许多工业产品发生质的变化和飞跃。
军用：精确化、轻量化、低能耗是武器装备的主要发展趋势，这些特点均需以微型化为基础。
微型化的单元部件广泛应用于飞行器的导航和制导系统、通信设备、大气数据计算机、发动机监测与控制、“智能蒙皮”结构和灵巧武器中。
由硅微机械振动陀螺和硅加速度计构成的MEMS惯性测量装置已用于近程导弹，并显著提高导弹的精确打击能力。
微型化技术在武器装备上的另一个重要发展是微小型武器，如微型飞行器、微小型水下无人潜水器、微小型机器人和微小型侦察传感器等。
具体应用：打印机喷嘴——用于打印机；微加速度计和角速度计——应用于汽车安全气囊；微加工压力传感器——用于进气管绝对压力传感器；由硅微振动陀螺和硅加速度计构成的MEMS惯性测量装置——用于军品中的近程导弹。
2.湿法刻蚀和干法刻蚀的概念，两者异同点以及在MEMS中的应用。
材料中的尺寸效应
微米结构材料的制备
微纳米加工
1
利用先进的微加工技术,如光刻、腐蚀、沉积等,精确控制尺度
自组装 2
利用分子间相互作用,通过自发排列形成有序微米结构
模板法 3
利用天然或人工制备的模板,填充或复制形成有序微米结构
微米结构材料的制备是一个精细的工艺过程,需要利用先进的微加工技术、自组装原理和模板复制等方法,精确控制尺度和结构,以获 得所需的性能和功能。这些制备技术为微米尺度材料的大规模生产和应用奠定了基础。
尺寸效应在材料应用中的重要性
突破性能极限
尺寸效应让我们能够突破 传统材料的性能极限,开发 出具有独特特性的新材料 。通过精确控制材料的尺 寸和结构,我们可以实现超 强度、超导电、超敏感等 革命性功能。
引领新技术发展
尺寸效应在微纳电子、新 能源、生物医疗等前沿领 域发挥着关键作用。突破 性的材料性能为这些领域 带来了新的机遇和可能性, 推动着技术的不断进步。
尺寸效应的分类
尺寸类型
材料尺寸包括零维纳米颗粒、一维纳米 线、二维纳米薄膜以及三维微米结构等 。每种尺寸类型都会表现出不同的物理 化学特性。
尺度范围
从宏观到微观再到纳米尺度,材料的性能 和行为都会随着尺度大小的变化而发生 显著变化。
界面效应
随着尺寸减小,材料表面和界面占比不断 增大,表面和界面效应学气相沉积
溶液沉积 2
自组装、喷涂和旋涂
激光沉积 3
脉冲激光沉积和激光化学气相沉积 制备薄膜材料的主要方法包括真空沉积、溶液沉积和激光沉积。真空沉积包括物理气相沉积和化学气相沉积,可以制备结构致密、纯 度高的薄膜。溶液沉积包括自组装、喷涂和旋涂,制备成本较低。激光沉积包括脉冲激光沉积和激光化学气相沉积,可以制备多元化 合物薄膜。这些先进的薄膜制备技术为多种材料的应用提供了支撑。
304不锈钢薄板微塑性成形尺寸效应的研究
304不锈钢薄板微塑性成形尺寸效应的研究孟庆当;李河宗;董湘怀;彭芳;王倩【摘要】针对五种厚度304不锈钢薄板进行了单向拉伸试验和微弯曲试验,测得的屈服应力和回弹角均随板厚减薄而增大,表现出“越薄越强”的尺寸效应现象.通过在Hall-Petch公式中引入相对厚度项对公式进行修正,使得对屈服应力的预测与试验结果更吻合.采用修正的Nix-Gao应变梯度强化模型预测了回弹角与板厚的关系,预测结果与试验结果吻合.%Uniaxial tension and microbending tests were conducted using 304 stainless steel foils with varied thicknesses from l0μm to 200μm. In the tests, the yield stress and springback angle increased with decreasing foil thickness,showing the size effects of "the thinner the stronger". The Hall - Petch equation was modified by introducing the influence of foil relative thickness, and applied to calculate yield stress with better agreement with test results. The modified Nix-Gao strain gradient hardening model was used to predict the relationship between springback angle and foil thickness, which agree with the test results.【期刊名称】《中国机械工程》【年(卷),期】2013(024)002【总页数】4页(P280-283)【关键词】304不锈钢;屈服应力;应变梯度;回弹角【作者】孟庆当;李河宗;董湘怀;彭芳;王倩【作者单位】上海交通大学,上海,200030;河北工程大学,邯郸,056038;上海交通大学,上海,200030;上海交通大学,上海,200030;上海交通大学,上海,200030【正文语种】中文【中图分类】TG3010 引言随着现代工业的快速发展，微型化制造技术得到了迅速发展，进而对加工材料、加工工艺和加工设备等提出了新的要求。
微成形
关于微成形技术发展概况051130323 尹相雨摘要：近年来随着电子及精密机械的高速发展，细微零件的成形加工越来越重要。
随着结构微型化趋势的发展，对微型工件的需求将不断增加。
微成形理论与技术不断被创新，并走向成熟。
关键词：微成形、材料、模具和工艺一、引言。
近年来随着制造业微型化的不断发展，细微零件的成形加工越来越重要，对微型工件的需求不断增加。
微成形就是利用塑性变形来生产至少两个尺寸达到亚毫米级的零件或者结构件的成形技术。
典型的微成形工艺有微挤压、微钣金、微模锻工艺等，这一技术继承了传统的塑性加工技术的高效率、最小或零材料损失、最终产品力学性能优秀、误差小的持点，使得近净产品或净产品的可以大批量生产，正是由于这一技术的诸多优势和广泛应用，许多国家投入大量资金进行相关研究，我国也高度重视，并在这方面取得了一些成绩。
二、微成形技术特点。
在微小尺度，微成形不再是单纯的金属塑性加工工艺问题，它已经成为多学科的交叉的高新技术，与传统工艺相比，微成形有自身特点。
1、材料的变化。
在微小尺度下被加工材料各种性质发生变化，出现尺度效应，如在微成型拉伸中，板料厚向异性指数减小,导致板料厚度易于变薄 ,在拉延成形中成形极限降低。
而且进入塑性变形阶段的均匀延伸率降低，甚至断裂之前的细颈形变也会缩短，但平面各向异性未见有明显变化。
在微成形中，毛刺增多的现象也与尺度效应有关 ,这主要是由板料中晶粒位向的随机性和晶粒尺度与局部制品尺度的比率增大而引起的材料各向异性行为造成的。
在弯曲成形中 ,尺度效应确实引起了流动应力和成形力的降低，但是当晶粒尺度接近于板料厚度时（这意味着在板料厚向只有单晶粒分布），成形力没有降低,反而增大（这与宏观成形力学中的晶粒增大成形力减小的规律相反)。
2、摩檫与润滑变化，微成形过程中摩檫与润滑发生了变化，随着样件尺度的减小，成形过程中的摩擦增加。
宏观摩檫理论与控制不再适应。
3、模具的设计、制造、材料变化，微成形过程中，传统的模具的设计、制造、材料的选择发生了变化，多采用光电子行业的腐蚀、光刻等技术。
纯铜微镦粗过程尺寸效应
纯铜微镦粗过程尺寸效应1130910327 苏靖钦在微塑性成形试验机上对纯铜圆柱试样进行恒定速度的微镦粗试验，通过热处理和精细线切割技术，设计不同的试样尺寸和晶粒尺寸，分别研究晶粒尺寸和试样尺寸对微塑性成形的影响。
研究发现：试样流动应力随着试样尺寸的减小而减小，其减小趋势与表面晶粒体积分数存在线性关系；当试样尺寸较大时，晶粒尺寸对试样流动应力的影响并不明显，而随着试样尺寸的减小，大尺寸晶粒试样的流动应力要明显低于小晶粒尺寸的试样；当试样尺寸较小时，试样在微镦粗过程中表现出明显的不均匀性。
通过表面层理论和细晶强化对有试样尺寸和晶粒尺寸变化引起的尺寸效应现象进行解释，同时，引入尺度参数量化由试样尺寸引起的尺寸效应现象，从而对当应变一定时流动应力随着表面层晶粒体积分数φ呈现近似线性变化的原因进行解释。
在微塑性成形过程中，材料本身的性能对零件和工艺设计都有非常重要的意义。
因此，与材料性能有关的尺寸效应的研究成为微塑性成形研究的热点。
在对CuZn15微镦粗试验的研究中发现：相同晶粒尺寸下，当试样尺寸减小时，材料的流动应力也随之减小。
当挤出部分直径小于l mm时，60%的试样挤出部分出现了弯曲，这说明微成形过程中单个晶粒对整个变形的影响变大了。
然而，对尺寸效应现象及其产生机理的认识仍然不足。
在微塑性成形工艺中，微镦粗试验是研究微塑性成形过程中材料尺寸效应的主要手段。
本文设计了不同的试样尺寸和晶粒尺寸，对微塑性成形过程中的尺寸效应进行了研究。
材料的流动应力是衡量材料塑性性能的主要标准。
由于可以真实地反映瞬时的变形程度和变形抗力。
固体润滑剂颗粒若分布不均会对试验结果会产生很大的影响。
而采用液体润滑剂时，由于试样与工具表面之间存在润滑油膜，易造成试样上下端面形成自由表面，在降低摩擦对镦粗成形影响的同时，不受约束的自由表面晶粒沿着最易变形的方向发生塑性变形而造成表面凹凸不平[9]。
为尽可能减小润滑不均匀对变形的影响，试验中不采用任何润滑剂。
微成形尺寸效应
微成形尺寸效应微成形尺寸效应是指随着尺寸的减小，微型结构的力学性质、电学性质、热学性质和光学性质等均会发生变化的一种现象。
微成形尺寸效应的表现形式各异，但如何应对微成形尺寸效应是一个逐渐为人们所重视的问题。
随着科学技术的快速发展，微型科学技术已成为目前技术发展的重要方向之一。
微成形技术是微型科学技术的重要组成部分之一，其基本原理是通过制备单个晶体、膜材料或者纳米结构来实现微成形。
数据表明，当材料尺寸小于特定值时，其力学性质、电学性质和传导性质将会发生改变。
导致微成形材料性质变化的主要原因是表面效应和量子化效应。
表面效应是指材料表面上的原子与周围环境相互作用而发生的效应。
材料尺寸变小时，材料表面积增大，从而表面效应也就越来越显著。
微观颗粒表面的原子数目较少，原子间吸引力较强使表面处的原子调整位置更为频繁，这会导致材料表面与内部性质有所不同。
量子化效应是指微观小系统仅存在几个量子的状态。
当物体的尺寸小于一定大小时，材料电子不能够自由活动，其能量被限制在几个量子的状态之间游荡。
因此，当材料尺寸减小到与电子束缚的范围相当时，局域的能量准则与单个原子外电子能级之间出现能量间隙，导致材料的电学和热学性质的变化。
另一方面，材料尺寸减小导致材料间距减小，导致电和热传导的变化。
如何应对微成形尺寸效应是目前微成形技术所关注的问题。
一方面，研究者需要深入了解微成形尺寸效应的基本原理，了解材料在微观尺度下的各项物理性质的变化规律和特点，为应对微成形尺寸效应提供科学依据。
另一方面，研究者需要探索新的微成形材料，以更好地应对尺寸效应的影响。
新的微成形材料应该有比传统材料更优异的性能，并且需要在制备、加工和应用等方面具有优势，可用于微成形技术领域。
同时，也需要不断优化加工方法和设备，以满足材料尺寸和成形要求。
总之，微成形尺寸效应是微成形技术面临的一个最主要的问题之一。
研究者需要深入探讨微成形尺寸效应的基本原理，加强对微成形材料的研究，发展适合微成形用的新材料，不断完善微成形加工与设备，协同研究推动微成形技术发展。
纳米材料微阵列超塑微成形机理与尺度效应
纳米材料微阵列超塑微成形机理与尺度效应王国峰;李优;刘奇;赵相禹【摘要】微成形技术是未来批量制造高精密微小零件的关键技术，但是，微小尺度下材料的塑性变形行为不仅表现出明显的尺度效应，而且零件尺度已经接近常规材料的晶粒尺寸，每个晶粒的形状、取向、变形特征对整体变形产生复杂的影响，难以保证微成形的工艺稳定性。
本项目采用纳米材料进行微成形，制造微阵列，零件内部包含大量的晶粒，可以排除晶粒复杂性的影响，而且纳米材料具有超塑性，在超塑状态下，变形抗力和摩擦力都明显降低，从而显著降低微成形工艺对模具性能的苛刻要求，提高工艺稳定性和成形精度。
目前，纳米材料超塑性微成形技术方面的研究极少，变形时纳米材料的力学行为、变形机理、尺度效应、位错演化、力学模型等关键问题还有待研究。
采用电沉积技术制备晶粒尺寸可控的纳米材料，将工艺实验研究、性能测试、组织分析、力学性能表征、数值模拟相结合，深入探究了纳米材料微阵列超塑性微成形机理和成形规律，以促进该技术的广泛应用。
%ABSTRACT:Micro-forming is a key technique for fabricating high-precision micro-part in large volume. However, plastic deformation at small scale has obvious size effects. The shape, orientation and deformation behavior of each grain have complicated influence on the micro-forming, since the scale of the parts approaches to the size of grain in common materi-als. Consequently, it is very hard to ensure the processing stability of micro-forming. In the current project, nanocrystalline materials were used to form micro-array. The influence of grain complexity could be eliminated since there were a lot of grains in the micro-part. In addition, nanocrystalline materials usually havesuperplasticity. Under this condition, the de-formation force and friction decrease obviously, which decreases the requirement on the mechanical properties of dies, and improves the processing stability and the forming precision. Currently, little work has been reported on the superplastic mi-cro-forming of nanocrystalline materials. Some key scientific issues remain to be resolved, such as the deformation behav-iors, deformation mechanism, scale effect, dislocation evolution and mechanical model of nanocrystalline materials during deformation. Electrodeposition technique was used to fabricate the nanocrystalline materials with controllable grain size. In order to realize the wide application of this technique, the superplastic micro-forming mechanism and rule of micro-array made of nanocrystalline material were investigated in depth through the combined methods of processing experiments, prop-erty measurement, microstructure analysis, characterization of mechanical property, and numerical simulation.【期刊名称】《精密成形工程》【年(卷),期】2015(000)003【总页数】7页(P1-6,61)【关键词】超塑性;超塑成形;塑性加工;微成形;纳米材料【作者】王国峰;李优;刘奇;赵相禹【作者单位】金属精密热加工国家级重点实验室，哈尔滨工业大学，哈尔滨150001;金属精密热加工国家级重点实验室，哈尔滨工业大学，哈尔滨150001;金属精密热加工国家级重点实验室，哈尔滨工业大学，哈尔滨150001;金属精密热加工国家级重点实验室，哈尔滨工业大学，哈尔滨150001【正文语种】中文【中图分类】TG113.26随着科学技术的发展，电子工业及精密机械等行业的飞速进步，产品的微型化在现代工业界中已经出现了不可阻挡的趋势。
微成形中基于尺寸效应的表面层模型建立
微成形中基于尺寸效应的表面层模型建立*摘要：微产品成形分析和设计必须考虑到尺寸效应的影响。
尺寸效应存在两种模型，一种是“晶粒尺寸”效应，另一种是“特征尺寸”效应。
本文主要介绍国内外研究者针对这两种尺寸效应所做的各种成形工艺实验对试样成形和材料性能的影响，以及根据所出现的效应在有限元模拟中建立的表面层模型。
研究结果表明，“晶粒尺寸”效应的影响主要体现在试样的应变分布，塑性变形以及变形的均匀性；“特征尺寸”效应对材料流动应力、变形摩擦力等方面表现出不同于宏观尺寸的现象；在有限元模拟中建立的表面层模型的模拟结果很好的解释了这些现象。
关键词微成形尺寸效应表面层模型The creation of the surface layer model based on the sizeeffect in micro-formingAbstract: Forming analysis and design of micro-products must take into account the size effect. Size effect has two models, one is the "grain size" effect, the other is the "feature size" effect. This paper describes for both domestic and foreign researchers made a variety of size effect experiments on the specimen shape forming process and material properties, and according to the effect to establish surface layer model in finite element simulation. The results showed that "grain size" effect is mainly reflected in the distribution of the sample strain, plastic deformation and deformation uniformity; "feature size" effect on the material flow stress, deformation friction are so different from the macro-size performance; the surface layer created in the finite element simulation explain these phenomena well.Key words micro-forming size effect Surface layer model引言微电子领域产品的总体趋势逐渐走向高度集成化、紧凑型、微型化。
00031金属微成形中微尺度效应新分类及评估分析
金属微成形中微尺度效应新分类及评估分析雷 ,张凯锋(哈尔滨工业大学 材料科学与工程学院,黑龙江哈尔滨 150001)摘 要:微尺度效应是金属微成形过程中特有的现象,也是深入研究微成形工艺和微尺度变形规律的瓶颈问题.文中提出了微尺度效应的新的分类方法,即将微尺度效应分为材料本征微尺度效应和工艺条件微尺度效应,并分析了这种新分类的意义.在相似性理论基础上提出了相似差、相似精度的概念,作为评估微尺度效应的相似性评价指标;在微尺度效应影响因素和微成形系统影响因素的分析中,引入了先验性的粗集权重确定法,提出了后效性的正交权重确定法,从而构建起微尺度效应的评价体系.根据以上分析评估方法,采用已有的实验数据,详细分析了微尺度效应的几个典型问题,结果表明,所提出的微尺度效应分类具有实际工程意义,应用所提出的评估方法得出的结论与已有试验相吻合.关键词:微尺度效应;材料本征微尺度效应;工艺条件微尺度效应;相似精度;权重确定法中图分类号:TG 301 文献标识码:A 文章编号:1006-7043(2006)01-0026-06N ew classif ication and evalu ation of micro-size effectsin metal micro-forming processesL EI Kun ,ZHAN G Kai-feng(School of Materials Science and Engineering ,Harbin Institute of Technology ,Harbin 150001,China )Abstract :Micro-size effects are the characteristic phenomena in the processes of metal micro-forming ,and there 2fore are the choke point of the farther researching on micro-forming technics and theoretics.In term of the dif 2ferent behavior under diversified loads ,the micro-size effects are classified as material attribute micro-size effects and technical condition micro-size effects ,the significance of this classification is also analyzed.On the basis of similarity theory ,two new concepts ,similarity difference and similarity precision are defined as similarity mete 2wand of micro-size effects.When analyzing the influence factors of the micro-size effects and of the micro-form 2ing system ,an apriority method of determining weight in light of rough sets theory is adopted ,and an afteref 2fect method of determining weight in light of orthogonal design is devised.According to above evaluating meth 2ods ,and adopting data of literatures ,several typical problem about micro-size effects are evaluated and analyzed.The results indicate that the classifying method of micro-size effects is true of engineering practicality and the conclusions from the methods of evaluating are accordant with experimental results in literatures.K eyw ords :micro-size effects ;material attribute micro-size effects ;technical condition micro-size effects ;similar 2ity precision ;methods of determining weight收稿日期:2005-02-28.作者简介:雷 (1974-),男,博士研究生,E -mail :snowphoenix 2tree @.张凯峰(1951-),男,教授,博士生导师. 近年来,产品微型化已成为工业界不可阻挡的趋势,特别表现在通讯、电子、微系统技术和微机电系统等领域.这些产业的兴起极大地推动了金属微成形技术的发展[1].和传统的成型工艺一样,在微成形加工中同样需要考虑工、模具的设计、工艺参数的优化、材料的磨损及处理等问题[2],但其主要特点却是由微小尺寸引起的微观尺度效应决定的.简言之,就是不能把宏观工艺参数、结构参数、物理参数简单地按几何比例缩小应用到微成形过程中,因为微型化的影响波及到整个工艺系统的各个方面.材料方面的影响主要第27卷第1期 哈 尔 滨 工 程 大 学 学 报 Vol.27№.12006年2月 Journal of Harbin Engineering University Feb.2006表现在成形过程中的流动应力、各向异性、延伸率及成形极限等方面,这些都与材料的微观晶体粒度及产品的微小结构有关.对材料的影响进一步波及到具体的工艺过程,成形力、摩擦、回弹、毛刺以及制品精度等都表现出与宏观工艺的不同特性,甚至在使用有限元程序分析模拟中也必须考虑这些影响[3].但是到目前为止,对微成形中的微尺度效应的研究并不深入,在微尺度效应的定义、分类、量化等基础问题方面尚没有明确的界定和合理的方法.因此,文中以微成形工艺系统为研究对象,在总结归纳大量试验的基础上,对金属微成形过程中微尺度效应做出新的分类,提出相应的评估方法,对微尺度效应的几个典型问题进行评估分析,以期在微尺度成形系统的相似再造、微尺度材料变形本构关系、工艺计算和模拟等方面的研究作出基础性探讨.1 微尺度效应及其分类到目前为止,对微成形中的微尺度效应还没有一个明确完整的定义.究其原因,目前的理解是:与宏观成形相比,微成形制品的几何尺寸和相关的工艺参数可以按比例缩小,但仍然有一些参数是保持不变的,比如材料微观晶粒度及表面粗糙度等,包括一些目前尚不能确定的因素.所以不能将微成形过程简单的理解为宏观成形过程的等比微型化.文献[4]将微成形中微尺度效应分为两类:第一类尺度效应和第二类尺度效应.第一类尺度效应指能够根据相似原理解释或能采用传统力学模型推导或模拟的现象.第二类尺度效应是指那些不能根据相似原理或采用传统力学模型解释、推导、模拟的现象.但是这种分类对于具体的微成形工艺分析和计算并没有多少实质性帮助.因此在大量分析已报道试验及课题组工作的基础上[3],结合具体的微成形工艺特点,考虑工艺分析计算、尺度效应评估等的可操作性,从微成形工艺系统的角度提出微尺度效应的另一种分类,即材料本征微尺度效应、工艺条件微尺度效应的分类方法.111 材料本征微尺度效应在宏观条件下通常通过一些典型试验(强度、硬度、各向异性、成形性能等试验)评价材料的各种性能,用这些典型条件等效材料变形的复杂工况,根据这些典型条件下的变形规律推求复杂工况下的变形行为.在微尺度下,微观组织的形态和变形行为开始对材料的整体行为产生更大的影响,已经超出宏观条件下的连续介质预设,即使在这些简单加载条件下的典型试验中亦表现出不同于宏观行为的现象.把这种由于材料本身的物理、化学或几何等属性的影响,使得材料在各种微尺度典型性能试验条件下的变形规律表现出不同于宏观典型条件的现象称为材料本征微尺度效应.具体表现为材料的晶粒尺度和形貌、变形区最小几何尺寸以及特殊变形性质(比如组织超塑性)等对材料微尺度性能的影响.比如,在微尺度单轴拉伸试验中,一般而言,晶粒尺度越大屈服极限和强度极限越低.微厚度薄板拉伸试验中,板厚越小屈服极限和强度极限越小,表现出与晶粒尺度增大同样的效应[4].但是在高温超塑性变形下晶粒尺度表现出相反影响,晶粒尺度越小屈服极限和强度极限也越小[5].总之,材料本征微尺度效应就是在典型试验条件下与材料属性相关的微尺度现象.112 工艺条件微尺度效应与各种强度、硬度、成形性能等典型试验条件不同的是,在各种具体成形工艺中,材料的应力场、应变(速率)场和温度场等完全不同于典型试验条件下的简单状态,在微尺度下的非线性和拓扑性更为复杂,把这种在具体成形工艺中由于微尺度边界条件的复杂性、非线性造成的材料在成形机理、变形规律以及成形需要满足的工艺条件等方面表现出的与宏观变形不同的现象或效应称为工艺条件微尺度效应.当然,工艺条件微尺度效应的体现仍然离不开具体材料的特性,要指出的是这里的工艺条件微尺度效应是独立于材料本征微尺度效应的,是在已经充分考虑了材料本征微尺度效应以后具体工艺中仍然发生的区别于宏观尺度变形的效应.工艺条件微尺度效应主要表现在2个方面:1)与具体成形工艺制品质量相关的特殊效应.比如,在微冲裁中冲裁变形区应变场和断面的特殊变化、微弯曲中变形区应变场和回弹的变化[1].2)表现在为使成形得以顺利进行,所需满足的工艺条件(包括载荷、几何边界等)在微尺度变形中的特殊变化.例如微冲裁中最大冲裁力、微弯曲中弯曲力、微拉深工艺中拉深力、压边力等,都不是按照几何比例等比变化.在具体工艺计算中这种工艺条件的特殊效应则表现为:已经考虑了材料本征微尺度效应,计算结果仍然与实际值存在差距的事实[4,6].2 微尺度效应评估分析的理论基础微尺度效应的量化评估包括单个微尺度效应的评估和整个微成形系统的微效应分析.为此,在相似性理论的基础上提出了评估单个微尺度效应的相似差和相似精度概念,针对微成形系统的评估分析,创建了后效性正交权重分析法,为利用已有实验数据,・72・第1期 雷 ,等:金属微成形中微尺度效应新分类及评估分析引入了先验性粗集权重分析法.211 相似差与相似精度考查微成形过程中微尺度效应的实质就是研究微成形系统和常规成形系统的相似性、成形系统中材料和工艺条件等要素相似性问题.为此,在相似性理论[7]的基础上,提出了适合于微尺度成形系统相似评价的相似差、相似精度概念.设标准常规成形系统A有m个几何要素(注意此处的几何参数主要指工艺系统的几何要素),n 个其他非几何要素,分别构成集合M和N:M={S1,S2,…,S n},N={T1,T2,…,T n}. 微尺度成形系统A有m个对应相似几何要素, n个对应非几何要素,分别构成集合M和N:M={S1,S2,…,S m},N={T1,T2,…,T n}. 假定两系统几何要素相似比例,即几何相似度r L保持不变,即S1 S1=S2S2=…=S mS m=r L.(1) 成形系统的非几何要素包括材料的性能参数、各种工艺作用力、成形速率、摩擦系数等,按照物理和运动属性分为材料本征不变要素和工艺条件相似可变要素.材料本征不变要素指按照常规尺度理论,在不同几何相似比下不应发生改变的,但在微尺度下却发生改变的材料参数,比如屈服极限,强度极限等.工艺条件相似可变参数是指按照常规尺度理论,在不同几何相似比下必然会发生改变的工艺条件参数,比如冲裁力、拉延力、压边力等.设相似微成形系统非几何相似元的相似度为T i T i =r Ti.(2) 引入相似元的相似差和相似精度指标:φi =r Ti-r r L,(3)Φi =r Ti-r r Lr k L.(4)式中:φi为相似差;Φi为相似精度,也称为微尺度效应函数;k为非几何要素相似度中长度量纲的次幂,当非几何相似元为宏观本征不变要素时取k= 0,此时,相似精度回归为相似差,其它条件相似可变要素一般取正整数.Φ的数值表示非几何相似元偏离几何相似比的程度:1)当Φ=0时,表示该对非几何相似元的相似度与几何相似度相等,为精确相似;2)当Φ<0时,表示该对非几何相似元的相似度小于几何相似度,称为微尺度负效应;3)当Φ>0时,表示该对非几何相似元的相似比大于几何相似比,称为微尺度正效应;当对系统的相似性进行整体考察时,考虑到各相似要素对系统相似性的互补和不同影响,引入权重系数ω1、ω2、…、ωn,则可写出系统相似精度函数Ψ=∑ni=1ωiΦi(5)Ψ的数值表示系统整体微尺度效应偏离几何相似比的程度:可见,相似精度指标不仅可以表征微尺度效应偏离几何相似比的程度,而且能够显示出偏离的方向.212 粗糙集权重确定法粗集(rough sets)理论是从知识分类的角度出发的一种新的数据推理方法[7],主要用于知识的约简和特征属性的依赖性分析.用粗集理论可以处理相似度量中关键特征属性的权重问题,即通过对已有信息的分析,判断特征属性在特定的分类下是否具有同等的重要性,根据这种重要性可给每个特征属性分配权重值,其优点在于不用事先假定的信息.用粗集理论的知识表达系统S=(U,A)来表示实际系统模型,其中U为非空的有限论域,是所有实际系统模型的属性集合.A为非空的属性有限集,包含条件属性C和决策属性D,即C∪D=A, C∩D=φ,C中某一属性a∈A.实际系统模型的属性常为定性属性,定量属性经过离散归一化处理变成定性属性.在讨论不同问题时特征属性具有不同的重要性,系统实例集的属性的重要性可以用以下的公式来表达:r c(D)=C(P c(D))/C(U),(6)去掉属性a以后,为r c-a(D)=C(P c-a(D))/C(U).(7)式中:C(・)表示集合的基.当从条件属性C中去掉属性a以后对系统属性进行重新分类时,分类U/D 的正域P(D)将发生改变,其改变程度直接反映出特征属性的重要性,即通过r c-a(D)可判断某一特征属性a的重要程度.213 正交权重确定法1)基本假设:设X=(x1,x2,…,x q)T为系统控制参数,Y是系统性能特征数,Y与X有下列的函数关系:Y=F(x1,x2,…,x q).(8)・82・哈 尔 滨 工 程 大 学 学 报 第27卷式中:x i的定义域为(x id,x iu),假定各控制参数的变化互相独立.要考察的是各控制参数对系统性能特征的影响程度,即权重大小的问题.2)正交设计正交设计是世界各国普遍采用的一种规划实验的科学方法.其核心思想是R.A.Fisher的统计学原理,即一个缩减的因素向量集与全集具有相同的统计意义.3)权重实验设计在确定权重的实验设计中,各个系统控制参数在定义域内按水平数均匀取值,而且必须有上限值和下限值,并尽可能体现取值范围的完备性.4)权重分析在权重分析中,有2种处理办法:①对每一控制参数而言,正交表中的其他参数的试验安排代表了其他控制参数全部的变化情况,如果在同一控制参数x i的水平值相同时,对应的性能特征值Y的水平(离散处理的定性值)也相等,则表示该属性具有重要性.在全部正交试验中这种对应相等的数量越多表示该属性的重要性越大,可表达为U x1(Y)=Q xi(Y)/R.(9)式中:R为正交试验总次数;Q xi(Y)为对于控制参数x i,当其水平值相同时,对应性能特征值Y的水平也相等的关系数量.然后将各控制参数U xi(Y)进行归一化处理,即得权重值w ui.②仍然以正交表中的其它属性的试验安排代表了其它属性全部的变化情况为预设,当每一控制属性在值域内波动时,系统性能参数的波动变化越大,表明其重要性越强.对于每组具体实验,系统控制参数变化而造成对系统性能特征值的影响用该控制参数所有水平点处性能特征值的最大值与最小值绝对差来表征,即V i=|Y i max-Y i min|.(10) 将同组实验中的各控制参数对应的V i进行归一化处理,所得结果即为各系统控制参数的权重系数w vi.将2种方法结合,考虑经验和专家意见,分别对w ui和w vi付以α、β权重(α+β=1,一般取α=014,β=016),则最终权重为w i=αw ui+βw vi.(11) 对于微成形系统,在各个不同几何比例系数下进行实验所得权重系数相加后再进行归一化处理,可进一步优化权重系数.对以上2种权重系数确定法,如果已有可用数据可根据粗集权重法,如果需要试验设计确定则可用正交权重法.3 微尺度效应评估分析311 微尺度效应的相似精度 微尺度效应可用相似差和相似精度来评估量化,以微冲裁工艺中最大冲裁力的特殊表现为例[4]:材料:CuZn15;晶粒尺度:54μm;标准常规试验时,板厚s0=1mm,冲头直径d p=20mm,冲裁间隙011mm;然后按几何比例系数依次缩小.根据实验结果采集数据,不同几何比例实验时最大冲裁力的相似度、相似差、相似精度分别按式(2)～(4)计算,结果如表1所示,因为最大冲裁力为工艺条件且计算公式中几何量是2次幂,故取k=2.表1 微冲裁中最大冲裁力相似精度评估表T able1Evalu ating list of similarity precision of the m aximum punching-forces in the micro-punching 板厚/mm最大冲裁力/kN几何比例相似度相似差相似精度1101318011010001811110180018040116401256 015710001500150701257110801231000120012170117741425 0111156011001113011031013将数据拟合为曲线如图1所示,可见,几何比例缩小后,最大冲裁力变化的微尺度效应为微尺度正效应.且随着几何比例的缩小正效应越来越显著,在几何比例为015处存在突变点,在110～015微尺度相似差和相似精度近似为0,不存在微尺度效应.可以看出,随着几何比例的减小,最大冲裁力的微尺度效应函数曲线存在渐近线,既存在极限几何比例,此时微尺度效应趋于无穷,这是否表明在接近这个极限几何比例时,存在工艺极限,还需要继续深入研究.另外,从图2可见,相似精度指标表征微尺度效应比用相似差指标更为合理、有效、直观.312 微尺度效应影响因素分析31211 粗集权重确定法应用实例在无法系统规划实验时,利用已有分散实验数据分析各因素权重,粗集理论具有明显的优势.以文献[8]中CuZn36的拉伸实验为例,从已有实验分析表明板料的厚度和晶粒尺度是影响屈服极限的重要因素,根据实验结果采集数据如下表2,并考虑考虑・92・第1期 雷 ,等:金属微成形中微尺度效应新分类及评估分析板截面面积的影响.假设论域U 由编号1～5实例组成,现对5个实例的定量属性进行粗略的离散处理,使其变成定性属性,离散处理结果见表3所列.其中:C ={a ,b ,c},D ={d},属性a 、b 、c 中的定性值域0、1、2分别代表各属性的不同定量范围,决策属性d 是建立索引时根据屈服极限变化程度划分的分类,其中,0代表变化程度较大、1代表变化程度一般、2代表变化程度较小.图1 几何比例与最大冲裁力相似差、相似精度关系Fig 11 Similar difference and similar precision of maximumpunching-forces depending on the scale factor表2 CuZ n36拉伸试样实例定量特征属性表T able 2 Q u antitative attributes of the tensiletests examples of CuZ n36实例试样厚度/mm 晶粒尺度/μm 试样面积/mm 21011400122012600183013601184014702145015355表3 CuZ n36拉伸试样实例定性特征属性表T able 3 Q u alitative attributes of the tensiletests examples of CuZ n36实例试样厚度属性a晶粒尺度属性b试样面积属性c屈服极限属性d100022110031110422105221根据式(6)、(7),各等价关系I (・)构成论域U 的划分简记为U/I (・),则有U/I (d )={{1},{2,3,4},{5}},U/I (a ,b ,c )={{1},{2},{3},{4},{5}},U/I (b ,c )={{1},{2},{3},{4},{5}},U/I (a ,c )={{1},{2,3},{4},{5}},P c (D )={1,2,3,4,5},r c (D )=5/5=1,P c -a(D )={{1},{2},{3},{4},{5}},r c -a (D )=5/5=1,P c -b(D )={{1},{2},{3},{4},{5}},r c -b (D )=5/5=1,P c -c(D )={{1},{2,3},{5}},r c -c (D )=3/5=016.将重要性转变为权重值:d a =11+1+016=0138,d b =11+1+016=0138,d c =0161+1+016=0124.由此可见,试样板厚特征尺寸和晶粒尺度对材料的屈服极限微尺度效应影响较大,截面面积则次之.符合文献[8]的实验结果.31212 正交权重法应用实例正交权重法与粗集权重法思路恰恰相反,是按照正交法设计试验,使一个缩减的因素向量集与全集具有相同的统计意义,因此这种权重考察法更为合理、贴近本质.以文献[9]微拉深成形系统的模拟数据为例详细分析微成形系统中各因素的影响程度.以拉深件壁部变薄应变Y 为系统性能特征值,设计4个控制参数:应变硬化指数n 、各项异性指数r 、摩擦系数μ、压边力 F.n 、r 的值域涵盖铝合金到钢的全部范围;μ的值域包括拉深成形中各种摩擦情形;F 的最大值为拉裂压边力,最小值为起皱压边力.控制参数取值水平如下表4,按表设计正交实验如下表5.将性能参数离散定性化处理为3个等级,0表示变薄应变最小、1表示一般水平、2表示最大.表4 控制参数水平T able 4 Levels of control factors控制参数水平1水平2水平3n 011500130001450r210001137501750μ012500115001050F (N )5100036150681000・03・哈 尔 滨 工 程 大 学 学 报 第27卷表5 试验方案和数据T able5 Experiments project and d ata实验序号n rμF/N Y×102性能参数水平10115021000012505100411102011501137501150361502148030115001750010506810061341401300210000115068100131302501300113750105051001148060130001750012503615071641701450210000105036150515818014501137501250681001311029014500175001150510011660对实验数据进行数据分析,找出同一控制参数x i的水平值相同时,对应的性能特征值Y的水平(离散处理的定性值)也相等的数量,并按式(9)计算出该参数的重要性;找出每一控制因素在不同水平时的变薄应变平均值和变薄应变平均最值差V i= |Y i max-Y i min|;将2种结果归一化处理后得出各条件的权重系数w ui和w vi.并取α=014,β=016,按式(11)计算权重结果如表6,可见在这4个条件中压边力是最显著影响因素.所得结果与文献[6]中的拉深试验结果基本吻合,当然影响微拉深的影响因素很多,可根据正交权重确定法依次分析,此处不再赘述.另外,如果在其它几个微尺度下也求得此4个因素的权重,可将不同尺度下的权重对应相加,然后再归一化处理,即为微尺度范畴下的微拉深工艺中影响因素权重.表6 权重计算结果T able6 R esults of w eightsX i Y水平1Y水平2Y水平3Y最值差W vi W ui W i n431747678316011801140116 r766569522244011401280120μ828581467361012001140118 F/N2425231018490148014401464 结 论分析表明,文中提出的金属微成形过程中微尺度效应分类和评估方法是合理可行的,对于正确认识微成形和常规成形的相似和差别,从而将常规成形数据和经验应用到微成形工艺中具有指导性的意义,具体表现为:1)微成形中微尺度效应的合理分类和评估有利于准确把握各类微尺度效应的变化规律,为正确认识微尺度效应的本质提供了有效的量化数据.2)微尺度效应的合理分类和评估为利用常规成形中的经验计算和有限元模拟提供了现实的途径.在各种工艺载荷计算中,只要将材料本征微尺度和工艺条件微尺度在相应几何比例下的相似精度引入即可.3)微尺度效应的合理分类和评估为具体微成形工艺系统相似性的评估提供了可能,从而为根据常规成形系统进行微成形系统的相似再造工程提供了依据.例如,如果已知了微成形中微尺度效应的相似精度和各影响因素的权重,利用公式(5)求出系统相似精度,如果系统相似精度接近于0,表明该尺度下的微成形工艺系统可根据常规成形系统较为精确的相似再造,对具体的材料或工艺条件可根据微尺度效应评估进行调整和优化.参考文献:[1]EN GEL U,ECKSTEIN R.Microforming-from basic re2search to its realization[J].Journal of Materials Processing Technology,2002,125:35-44.[2]GEIGER M,MEBN ER A,EN GEL U,et al.Design ofmicro-forming processes-fundamentals,material data and friction behavior[A].Proceedings of the Ninth Interna2 tional Cold Forging Congress[C].S olihull,U K,1995. [3]张凯锋,雷 .面向微细制造的微成形技术[J].中国机械工程,2004,15(12):1121-1127.ZHAN G K aifeng,L EI Kun.Microforming technology fac2 ing to the micro-manufacture[J].China Mechanical Engi2 neering,2004,15(12):1121-1127.[4]GEIGER M,VOLL ERTSEN F,K AL S R.Fundamentalson manufacturing of sheet metal microparts[J].Annals of the CIRP,1996,45(1):277-282.[5]SAO TOME Y,INOU E A.Superplastic micro-forming ofmicrostructures[A].Proc IEEE MEMS[C].[s.l.], 1994.[6]SAO TOME Y,Y ASUDA K,K A G A H.Microdeep drawa2bility of very thin sheet steels[J].Journal of Materials Pro2 cessing Technology,2001,113:641-647.[7]周美立.相似性科学[M].北京:科学出版社,2004.[8]MICHEL J F,PICART P.Size effects on the constitutivebehavior for brass in sheet metal forming[J].Journal of Materials Processing Technology,2003,141:439-446. [9]JAISIN GH A,NARASIMHAN K,DA TE P P,et al.Sensitivity analysis of a deep drawing process for miniatur2 ized products[J].Journal of Materials Processing Technol2 ogy,2004,147:321-327.[责任编辑:郑可为]・13・第1期 雷 ,等:金属微成形中微尺度效应新分类及评估分析。
微电子材料在微塑成形中的尺度效应
的工 艺参数 可 以按 比例缩小 ， 仍然有一 些参数 是保持 但 不变 的 ， 材料微 观 晶粒度 及表面 粗糙度等 ，另外塑性 如 变 形 的机 制和 应力． 应变 曲线 的相 应阶 段在尺 度上 也是 没有变 化的 （ 即尺度不变 性原理 ）【，所 以不能 将微成 ３ 】 形 过程简 单的理解 为宏观 成形过程 的等 比例 微型化 ， 另 外 在具体 的微成形 过程 中材料 的成形 性能 、 形规律 和 变 摩擦 润滑等 方面确 实有特殊变 化 。 ２２ 尺 度效应 的分类 － 在微成 形 中，一般把 尺度效应 分成两 类：第 １ 类尺 度效 应和第 １类尺度 效应【。一 般把那 些能够用 传统理 Ｉ ４ ］ 论进行解 释 的尺度效应 称为第 １ 类尺度 效应 ， 能用传 不 统理论 来解 释 的尺度 效应 称为第 １类尺度 效应 。 是这 Ｉ 但 种 分 类对 于 具体 的微 成 形 工艺 分析 和 计算 并 没有 多少 实 质性帮助 。结合具体 的微成 形工艺特 点 ，考虑 工艺分 析 计算 、尺度效应 评估 等 的可操 作性 ，从微 成形工 艺系
要 ： 微 电子材料 在微机 电系统 （ ＭＳ ＭＥ ）的发展
果 的分 散性上 ，这 限制 了微成 形 的发展 ，亦 限制 了微 电 子 材料 的应 用 。
中越来 越受到青 睐 ， 但是 其工 艺加 工的不足 限制 了实际 应用 的步伐 。 塑性 成形可 以成形微 电子器件 ，由于其 微 尺寸微 型化 ，在微 塑性成形 中存在 一个 不可避免 的 “ 尺 度 效应 ”问题 ，尺度 效应表 现在材料 的流动行 为 、成 形 中摩 擦效应 和 实验 结果 的分散 性上 。 介绍尺度 效应 的 在
微电子器件尺寸效应研究与模拟
微电子器件尺寸效应研究与模拟随着现代科技的快速发展，微电子器件已经成为现代电气和电子技术领域的主要组成部分。
微电子器件的核心是微型芯片，它们的尺寸越来越小，性能也越来越强大。
这就导致微电子器件中的原子层面行为变得异常重要，这些需要精细地设计与模拟。
微电子器件的性能基于电子的输运。
近几十年来，随着晶体管尺寸的不断减小，微电子器件中的电子在器件体积较小时发生尺寸效应，尤其是在三维的电子输运模型中，它对微电子器件的性能和可靠性产生了广泛的影响。
尺寸效应是指当微电子器件的尺寸减小至半径处于同数量级的固体时，体积效应变得非常明显。
好比如硅芯片传统2D晶体管厚度半径基本在10nm以上，如果芯片尺寸减小，晶体管的基本功能可能会发生改变，导致失效。
这还不仅会影响电子的输运，还会影响器件的电容、电阻等性质。
因此，了解尺寸效应成为微电子器件设计和制造中的重要问题。
半导体微电子器件的尺寸效应来源于散射和限制因素。
当微电子器件越来越小时，经过器件的电子碰撞次数就越多，这会导致电子的散射二次变化变大，因此尺寸效应会导致电子的散射次数增多，使得器件的性能相应地下降，同时缩小的设计也会形成局部热点，这也会进一步影响电子输运。
此外，尺寸效应还会导致电子在空间中的扩散过程变得异常复杂。
在微电子器件的设计和制造过程中，如何评价器件的性能和可靠性问题是非常重要的。
当前，通过计算机辅助设计软件来模拟微电子器件的行为和性能已经成为一种成熟的方法。
通过在设计阶段对微电子器件先进行计算机模拟评估，可以帮助工程师更好地理解器件的行为和性能，从而更好的优化微电子器件的设计。
因此，微电子器件的尺寸效应研究和模拟已经成为当前微电子领域的热点之一。
虽然这个过程会相对复杂，但是它必定会带来毫无疑问的好处。
在这个研究领域取得进步对于微电子器件的未来发展是至关重要的，并将会有望在技术中持续创造新的机会，能够在更大程度上革新我们的工业设计思路，掌控未来的市场。
微成形
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4
结论
结论
晶粒大小： 尺寸大小：
访谈结果与析
晶粒变粗 → 应变分布混乱 → 塑性变形 不均匀
尺寸减小 → 流动应力减小、摩擦系数增 大
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敬请各位专家领导批评指正！
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1.1
晶粒尺寸效 应
晶粒尺寸效应
晶粒尺寸减小，塑性应变 幅值减小，有较高的 流动应力和屈服应力 故变形较均匀。
晶粒的各向异性引起
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1.2
特征尺寸效 应
特征尺寸效应ຫໍສະໝຸດ 随着尺寸的变小，材料成 形的流动应力，延伸率， 屈服强度等都出现了 不同程度的减少。
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2
设备
设备
问题
问题：
① 间隙 ② 反冲 ③ 安放和装配
要求
要求 ①真空或惰性气体 ②无尘 ③精度
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3
产品性能
产品性能
这一技术具有极高 的生产效率和最小的材 料损失。最终产品具备 优秀的力学性能和紧公 差等特点，特别适合于 近净成形或净成形产品 的大批量生产。
摩擦因子会随着尺寸的不
断减少而不断增大。
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表面层模型
微成形中一点的 应力状态不仅与该 点的应变和应变历 程有关，还与应变 梯度和应变梯度历 程有关。表面收约 束少，流变应力就 减小。
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开放与封闭式润滑坑模型
这个模型由 Engel教授及其 团队提出。摩擦 力对拉深成形的 影响十分大，对 制品进行润滑 可以改善制品的 成形性能。
微细加工中的尺度效应 整理
微细加工中的尺度效应在科技飞速发展的今天，人类对机械产品的性能有了许多更高的要求，在通讯、电予、航天、微系统技术、微机电系统等领域，产品微型化已成为人类所追求的同时也是工业界不可阻挡的一个发展方向。
这些微小精密产品的制造离不开微细加工技术。
而在微细加工中，尺度效应对加工的整个过程有着极大的影响。
同时，也正是尺度效应，使得加工后的微小精密零部件有着非常好的性能。
所以，尺度效应是微细加工过程中至关重要的可行性评估依据和理论基础。
在下面的论述中，将对微细加工中尺度效应的定义、对加工过程的影响以及它的重要意义与实际应用进行简要的阐述。
1.微细加工中的尺度效应的定义尺度效应是一个很广泛的概念，在不同的学科领域中有着相应的定义。
在机械工程领域，尺度效应主要体现在微细加工过程中。
如果对尺度效应做一个概括性质的定义，是指:在微细加工的过程中，由于被加工材料整体或局部尺寸的微小化，引起的成形机理、材料变形规律以及材料性能表现出不同于传统成形过程的现象。
2.微细加工中尺度效应的作用机理与影响在微细加工过程中，由于切削层厚度已经十分薄，尺寸与微观尺度相近，尺度效应对加工精度的影响是十分明显的。
传统的制造精度理论和分析方法将不再适用。
在加工过程中，尺度效应的作用并非仅仅是将传统加工在尺寸上简单缩小，其主要可以表现为两个方面。
（1）在物理学方面，当切削加工的尺寸减小到一定的程度进入纳米量级时，晶体周期性的边界条件将被破坏，非晶态纳米微粒的颗粒表面层附近原子密度减小，导致多个物理性质呈现新的小尺寸效应。
在微米量级或该量级以下时，金属材料的硬度值急剧上升，转剪应力---剪应变曲线、弯曲应力---应变曲线明显升高。
由此可见，制造中工件的受力与变形特征与传统构件情况是大不相同的。
这主要是由于尺寸的缩小使得切削过程中起主导作用的力发生了变化。
对于微细加工中的工件，随着线性尺寸的减小，其表面积与体积的减小程度是不同的。
实际上，随着尺寸减小，微构件表面积与体积之增大。
尺寸效应名词解释
尺寸效应名词解释尺寸效应是指物体尺寸的变化对人们对物体属性和行为的认知和评价产生的影响。
在认知心理学中，尺寸效应被广泛应用于各种研究领域，如空间认知、视觉感知和决策行为等。
尺寸效应可以通过改变物体的尺寸（大小）来操纵人们对物体的认知和评价。
以下是尺寸效应的几种常见解释：1.1 尺寸-认知效应尺寸-认知效应是指物体的尺寸对人们对物体特征和属性的认知产生的影响。
例如，研究表明，人们对较大尺寸的物体更倾向于认为它们更重、更有力、更重要，而对较小尺寸的物体更倾向于认为它们更轻、更弱、更不重要。
这种效应可能与心理上的隐喻有关，人们将大尺寸与重要性和力量联系在一起。
1.2 尺寸-感知效应尺寸-感知效应是指物体的尺寸对人们对物体的感知产生的影响。
例如，当两个物体具有相同的实际尺寸时，人们通常会认为较大尺寸的物体距离较远，而较小尺寸的物体距离较近。
这是因为人们通过视角和远近线索来判断物体的距离，而较大尺寸的物体会占据更大的视角，因此被认为距离较远。
1.3 尺寸-抽象度效应尺寸-抽象度效应是指物体的尺寸对人们对物体抽象度的认知产生的影响。
研究表明，较大尺寸的物体更容易被人们视为具体、具体的实体，而较小尺寸的物体更容易被视为抽象、概念化的实体。
这可能是因为人们在感知和认知上将大尺寸与具体的物体联系在一起，而将小尺寸与抽象的概念联系在一起。
1.4 尺寸-行为效应尺寸-行为效应是指物体的尺寸对人们行为选择和行为表现产生的影响。
例如，研究发现，较大尺寸的物体更容易引起人们的注意，并促使人们采取与之相关的行为，例如触摸、移动或购买。
这可能是因为较大尺寸的物体在视觉上更显眼，更引人注目，因此能够更有效地引发相关的行为。
总结起来，尺寸效应是指物体尺寸对人们认知和行为的影响。
无论是在认知认知、视觉感知还是行为选择方面，物体尺寸都会引起人们的注意，并改变对物体的认知和评价。
这些尺寸效应的解释有助于我们更好地理解人类的认知和行为，并在设计和营销中应用这些知识。
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微成形中的尺寸效应及种类
微成形中的尺寸效应是指材料尺寸缩小到微米或纳米级别时，其性质和行为出现微观效应或尺寸依赖效应的现象。
常见的微成形尺寸效应有以下几种：
1. 表面效应：表面积比体积大量增加，表面所受的力变得更加重要，会导致材料的物理性质和机械行为发生变化。
2. 界面效应：当材料尺寸变小到纳米级别时，材料中不同相的界面积比例增加，界面对材料性质和行为的影响也会变得更加明显。
3. 粘附效应：小尺寸的材料表现出更高的粘附性和表面张力，影响材料形状和成型行为。
4. 尺寸限制效应：材料尺寸缩小时，材料的晶粒尺寸和晶界密度也会随之减小，材料的力学性能和响应也会发生变化。
5. 量子尺度效应：当材料尺寸缩小到与波长相当的尺度时，材料的电子和光子行为会发现显著的量子效应，比如电子能带结构和能级分立等。
这些尺寸效应在微成形过程中需要考虑到，以实现更加精准的制备和控制。