纯钛薄板微拉伸及微弯曲尺度效应研究

作     者：马清爽 

作者单位：哈尔滨工业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：崔令江

授予年度：2020年

学科分类：08[工学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 080502[工学-材料学] 

主      题：尺度效应 材料本构 微拉伸 微弯曲 回弹 

摘      要：近年来,微机电系统由于其优良性能得到了飞速的发展并逐渐在众多新领域中开展了应用,其对微型零件的大量需求使得行业内对金属材料、零件性能与加工技术等方面有了更高的期待与更严格的技术要求。金属钛具有密度小、比强度高、化学稳定性强与生物相容性好等优势,在微型零部件和轻质结构零件制造等方面有着十分广阔的应用前景。目前,随着微机电系统应用的不断深入,钛在介观尺度的材料性能研究不断深入,钛在MEMS传感器、微型燃料电池等领域有着十分广阔的潜在应用价值。当纯钛薄板的尺度由宏观减小至介观尺度,其复杂的微观组织演化行为以及表面层与心部的性能的巨大差异使得其流动应力与断裂行为难以预测。因此,对纯钛薄板进行介观尺度的观察与研究十分有必要。本文以一系列厚度和晶粒尺寸的纯钛薄板为实验材料,通过单向微拉伸实验,研究其力学性能与断裂行为的尺度效应。发现当t/d小于15时材料的流动应力出现了“越小越弱尺度效应,而当t/d小于2时出现“越小越强尺度效应。材料的断裂行为随t/d的减小逐渐由韧性断裂转变为具有明显的脆性断裂特征。此外,发现孪晶影响材料的应变硬化第四阶段区间长度,从而对材料的延伸率产生影响。研究了纯钛薄板微拉伸过程中的微观组织演化行为,研究表明,本实验中主要产生的孪晶类型为{1122}压缩孪晶与{1012}拉伸孪晶。孪晶在塑性变形后期大量出现,心部晶粒与表面层晶粒产生孪晶的数量具有较大差异。基于表面层模型和塑性变形过程中孪晶的演化行为构建了介观尺度下纯钛薄板微拉伸材料本构。通过对纯钛薄板进行V型软模微弯曲实验,对介观尺度微弯曲的回弹情况进行了研究,研究表明,弯曲角度能够影响材料的弹性变形区线长度。材料的晶粒尺寸能够影响各弯曲变形区内晶粒数量,从而影响材料回弹角度的稳定性。由于材料在介观尺度受到应变梯度影响,厚度越小时材料回弹角度越大,而当厚度为50μm时材料屈服点较低,应变梯度产生的几何必须位错硬化作用有限,材料回弹角度出现减小。基于心部晶粒与模具接触晶粒受到约束情况的差异建立了弯曲回弹预测模型。