T2紫铜薄板超声微拉伸试验研究

摘要：宏觀大尺寸金属板料制件成形过程中，利用超声来降低坯料与模具间的摩擦，提高板料成形极限，已获得广泛应用。而在微成形中，将超声应用于金属薄板的成形，目前还少有报道。本文在常规拉伸实验设备的基础上，通过设计适合的超声装置，将超声附加到T2紫铜薄板上，以获得超声环境下金属薄板的力学性能。

关键词：超声;T2紫铜薄板;力学性能;微拉伸

0  引言

产品微型化对零件的加工提出了更高的要求，进入二十一世纪后，微制件的研究和应用发展迅速。金属薄板微成形是制造微制件的一种重要加工方式，微成形材料的基础力学性能，对微冲压件成形工艺方法的选择和工艺参数的制定具有重要的影响。金属材料塑性成形过程中，施加不同方向、不同振幅的超声振动，会使得金属材料的力学性能发生改变，如屈服强度、抗拉强度、流动应力和变形抗力降低，材料的加工质量提高等。微成形材料在超声环境下的变形规律及力学性能参数，是一个重要的研究课题，但这方面的研究和公开的技术成果目前并不多见。本文在常规拉伸实验设备的基础上，通过设计适合的超声装置，将超声附加到T2紫铜薄板上，以获得超声环境下金属薄板的力学性能。

1  超声拉伸装置设计

超声拉伸实验中，拉伸试样需夹持在超声头上，以将超声振动附加到拉伸试样上。本文设计了一台超声拉伸装置，其额定功率为1 kW，频率为20 kHz，振幅三档可调。基本结构如图1所示。

拉伸试验机所带的夹持装置不能与设计的超声拉伸装置配合使用，需要设置一套新的底部夹具，来夹持拉伸试样另一端。超声拉伸装置的超声头是可以转动的，因此，在设计底部夹具时也需要足够灵活。制作底部夹具的材料为钢板，具体设计如图2所示，最下面钢板可以旋转定位，中间钢板可以水平移动定位。

通过测量超声拉伸装置不同档位的幅值，测得超声头端面幅值如表1所示。

2  拉伸试样制备

2.1 热处理

实验选用T2紫铜薄板作为试样材料，其交货状态为轧制态，厚度为0.1 mm。在金属薄板的研究中，厚度/晶粒尺寸比是影响金属薄板力学性能的一个重要参数。本文以厚度/晶粒尺寸比作为基本参数，来研究不同振幅的超声振动对T2紫铜薄板力学性能的影响。

为获得多组不同厚度/晶粒尺寸比的T2紫铜薄板，需要对T2紫铜薄板进行不同温度的退火处理。T2紫铜薄板退火处理的升温时间和保温时间如表2所示，冷却方式采用随炉冷却。得到的厚度/晶粒比如表3所示。

2.2 试样制备

本实验中，T2紫铜薄板较薄，刚度不够，单片电火花线切割在夹持和切削时均不方便，故制备拉伸试样时，将数层T2紫铜薄板叠加夹持切割。电火花线切割后的拉伸试样，表面与边缘附着大量的污垢，需用酒精溶液清洗、晾干。图3为电火花线切割的拉伸试样和剩下的废料。

3  超声微拉伸实验结果及分析

利用设计好的超声拉伸装置进行实验，拉伸试样夹持前，需对超声拉伸装置进行调试，使得超声拉伸装置和底部夹具夹持拉伸试样时在同一平面，调试完成后，对厚度0.1mm的T2紫铜薄板进行拉伸试样，不同厚度/晶粒尺寸比、不同超声振幅条件下，各重复实验3～5次，完成超声微拉伸实验。图4是超声微拉伸实验图。

3.1 超声微拉伸力学性能分析

对T2紫铜薄板拉伸试样施加不同振幅的超声振动，得到不同厚度/晶粒尺寸比的力学性能参数分别如表4、表5所示。

从表4、表5 可以看出，施加超声使得T2紫铜薄板的屈服强度、抗拉强度相对于不加超声而言，都有不同程度的降低，但超声振动对不同厚度/晶粒尺寸比的影响各有不同。

3.2 不同超声振幅对同一厚度/晶粒尺寸比力学性能的影响

在对T2紫铜薄板进行超声微拉伸实验的过程中，发现了超声振动对T2紫铜薄板的“软化效应”和“硬化效应”。在对厚度/晶粒尺寸比为28.6的T2紫铜薄板拉伸试样进行超声拉伸得到了图5所示的工程应力-应变曲线。

从图5很明显的可以看出，在施加纵向超声后，T2紫铜薄板的变形抗力都有所降低，即出现了超声“软化效应”，但与宏观超声拉伸实验结果有所不同，宏观超声拉伸实验中，变形抗力的减小与超声振幅成正相关，即大振幅会使变形抗力降低量更大。图5所示的曲线中，变形抗力降低量随着超声振幅的增大反而在减小，即超声振幅为5.58μm比超声振幅为3.02μm的变形抗力降低量要小。出现这样的情况可能的原因：对于厚度/晶粒尺寸比为28.6的T2紫铜薄板，存在一个超声振动幅值低于3.2μm，在超声的作用下变形抗力降低量最大，而后随着超声振幅的增大，变形抗力的降低量越来越小，直至到达一个临界值，随着超声振幅的继续增大，降低量不产生变化。临界值低于无超声微拉伸得到的变形抗力。

图6是超声微拉伸实验过程中，先是无超声拉伸、弹性阶段后施加振幅为3.02μm的超声振动、90s后超声振动撤销得到的曲线，从图6中可以发现，施加纵向超声的瞬间，应力出现了急剧的下降，到达一个最低值，到达最低值马上回升到一个相较于无超声拉伸小的值，然后进入纵向超声微拉伸阶段，纵向超声撤销，应力也出现一个急剧下降，然后回升，回到一个比施加纵向超声更大的值后进入稳定阶段。通过与厚度/晶粒尺寸比为28.6的无超声纵向微拉伸和超声振幅3.02μm的纵向超声微拉伸实验曲线进行对比，两种曲线分别与图6中曲线的一部分相吻合。在施加和撤销超声振动的瞬间，应力出现急剧变化，可以认为是超声振动产生的力和拉伸力二者“应力叠加”的作用，使得T2紫铜薄板出现了“软化效应”。

3.3 同一超声振幅对不同厚度/晶粒尺寸比力学性能的影响

在无超声条件下，T2紫铜薄板的抗拉强度随着厚度/晶粒尺寸比的增大而增大，但施加振幅3.02μm的超声振动，得到的抗拉强度如图7所示，抗拉强度并不随着厚度/晶粒尺寸比的增大而增大，而是在厚度/晶粒尺寸比为8.1时最大。将无超声时的抗拉强度和振幅3.02μm的抗拉强度相减，得到差值，即抗拉强度降低量。可以很明显的看出，施加3.02μm的纵向超声，厚度/晶粒尺寸比为8.1时，抗拉强度降低量最大。

出现这种情况的原因是因为对于厚度/晶粒尺寸比小于8.1的T2紫铜薄板，在振幅为3.02μm的超声振动作用下，由于晶粒尺寸太大，晶粒的位错运动受到限制，不利于材料的变形，从而使得T2紫铜薄板抗拉强度的值较小;而对于厚度/晶粒尺寸比大于8.1的T2紫铜薄板，由于晶粒尺寸比较小，在超声的作用下，晶粒过于活跃，位错运动多而杂，由于无方向性，出现大量缠结和塞积，也使得T2紫铜薄板变形不易，导致抗拉强度的值小。对于厚度/晶粒尺寸比为8.1的T2紫铜薄板，晶粒数目合适，超声作用下，位错运动缠结和塞积的现象少，从而抗拉强度更大。

4  结论

目前为止，超声振动应用于金属薄板微拉伸实验力学性能研究的还很少见，本文通过对T2紫铜薄板微拉伸实验施加不同振幅的超声振动，研究了不同振幅的超声振动对T2紫铜薄板力学性能的影响。施加超声使得T2紫铜薄板的屈服强度、抗拉强度相对于不加超声而言，都有不同程度的降低，但超声振动对不同厚度/晶粒尺寸比的影响各有不同;超声振动的施加，使得T2紫铜薄板的变形抗力降低，降低幅度并不随着超声振幅的增大而增大，反而在超声振幅为3.02μm时，降低幅度最大，在5.58μm时，降低幅度最小。

参考文献：

[1]顾晓猛.金属薄板超声微拉伸性能测试[D].深圳大学，2015.

[2]王匀，陆广华，许祯英，吴江平，王晶晶.尺寸效应对H62黄铜微拉伸性能的影响[J].机械设计与研究，2009（01）.

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