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】TG301

0 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。相对于常规尺度，材料在一个或多个尺度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［1］，随着尺度的减小，这种尺寸效应愈加明显。

目前，针对板料微塑性变形过程的研究越来越多，而且逐渐深入。Geiger等［1］研究发现材料在微塑性变形过程中表现出“越小越弱”的尺寸效应现象，并建立了表面层模型［2-3］对此现象进行了合理的解释。Eckstein等［4］在研究薄板弯

曲时发现其表现出另一种相反的“越小越强”的尺寸效应现象，Fleck等［5］提

出的仅包含扭转应变梯度的偶应力（CS）理论和包含拉伸应变梯度的SG理论［6］，Cao等［7-8］提出的具有微观物理机制的Nix－Gao应变梯度强化模型，都针对此现象进行了解释。针对覆有钝化膜的纯铜在平面应变胀形中表现出来的尺寸效应，Xiang等［9］利用应变梯度理论对其进行了有效分析。但现有文献中针对工业中常用的304不锈钢尺寸效应进行的研究还较少。

本文针对304不锈钢薄板，进行了晶粒测量、单向拉伸试验和弯曲试验，并对试

验中表现出的尺寸效应进行了理论分析。

1 试验

试验中使用的材料是厚度t分别为200μm、100μm、50μm、20μm 和10μm 的

304不锈钢板。采用线切割的方法切割出晶粒尺寸测量、单向拉伸和微弯曲试验所需试样，采用以氨解气体为保护气体，加热到1050℃保温5min后随加热装置冷却的热处理方式，得到一定晶粒大小的板料试样。

1.1 单向拉伸试验

对不同规格板料进行金相观察，采用ASTME112－96（2004）平均晶粒尺寸测量方法测得平均晶粒尺寸d。但在测量过程中由于薄板厚度方向只有少数晶粒，只能从板料长度方向进行测量。厚度为100μm的板料的金相图片见图1，性能参数测量结果见表1。在CMT4000系列电子万能试验机上对不同厚度的标准拉伸试样进行拉伸试验，其中标距为25mm，宽度为6mm。试验过程中，利用试验机自带夹头夹紧试样，同时拉伸速度v按板料厚度等比例变化，见表1，同种厚度材料拉伸试验重复次数不少于3次。试验得到了板料的力－位移曲线，对试验数据进行真实应力真实－应变曲线的转换，然后对3次重复试验数据取平均值，所得真实应力－应变曲线如图2所示。从图2和表1可见，板料的初始屈服应力试验值随厚度减小而增大，即表现出“越薄越强”的尺寸效应现象。

图1 100μm板厚晶粒图片

图2 不同厚度试样的应力－应变曲线

表1 304不锈钢材料性能参数注：表1中t为板料厚度，d为晶粒大小，nG为相对厚度，σs0为屈服应力，Ep为塑性模量，v为拉伸速度或弯曲冲头下行速度，Rd为凹模圆角半径，C为弯曲凸、凹模间隙，l为内禀尺寸。t（μm）（μm）nG σs0（MPa）（MPa）d Ep v C Rd l（μm／min）（μm）（μm）（μm）10 20 1.0 494 3150.5 200 25 15 27 20 30 1.0 475 2793.0 400 50 25 29 50 36 1.4 433 2440.2 1000 125 60 25 100 37 2.7 356 2520.7 2000 250 120 19 200 56 3.6 340 2723.8 4000 500 240 15

1.2 薄板微弯曲试验