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浅析磷青铜合金薄板韧性断裂和变形因素

来源:广东赫达金属材料有限公司   发布时间:2021-03-11   点击量:145

磷青铜合金摘要     

        借助单轴微拉伸试验研究了磷青铜薄板力学性能和韧性断裂的尺寸效应。结果表明,屈服强度与材料厚度t、晶粒尺寸d之间均存在着第Ⅱ类尺寸效应,但与t/d之间却存在着第Ⅰ类尺寸效应。断口形貌显示,随着t的减小,断裂机制由韧窝-微孔聚集断裂向滑移分离过渡;随着d的增大,韧窝逐渐变大变深,但当t/d<1时,拉伸过程过早形成微裂纹,导致试样迅速断裂。最后,基于表面层模型构建了介观尺度磷青铜薄板的混合本构方程

         单轴拉伸试验作为一种简单且便于测量材料力学性能的方法,被国内外众多学者用于研究介观尺度薄板材料力学性能的尺寸效应。通过拉伸试验研究了不同厚度薄板流动应力的尺寸效应,发现在25-500μm厚度范围内的流动应力表现出“越小越弱”的尺寸效应,将这类“越小越弱”的尺寸效应称为第Ⅰ类尺寸效应,并在晶体塑性变形物理机制的基础上利用表面层模型对这种现象进行了理论分析。但通过单轴拉伸试验发现,流动应力并非一直随着板料几何尺寸的减小而减小,他们在试验中同时考虑板料厚度和晶粒尺寸的影响

         磷青铜具有良好的力学性能、耐腐蚀抗磨损、冲击时不易产生火花等优点,常应用于航空宇航、电机电器、电子信息等行业领域的耐磨零件和弹性元件。随着“轻、薄、短、小”等介观尺度特征零件的产业化需求,开展磷青铜薄板微成形过程中的力学性能和韧性断裂的尺寸效应研究很有必要。

        

磷青铜薄板单轴拉伸试验

        试验所用材料为C5191磷青铜(对应国内牌号为QSN6.5-0.1),其质量分数如下:Sn为5.5%~7.0%,P为0.11%~0.13%,Fe为≤0.02%,Pb为≤0.05%,Zn为≤0.20%,其余为Cu。

为获得不同晶粒尺寸的磷青铜薄板,将厚度t为50μm、100μm、250μm的薄板放到热处理炉中分别进行300℃、400℃、500℃、600℃和700℃的退火试验。参照有色金属行业标准YS/T449-2002,对退火热处理后的薄板试样进行冷镶、抛光、腐蚀、金相观测和晶粒尺寸测量,获得的晶粒尺寸如表1所示

         

          根据相似性原则,将宏观拉伸试样等比缩放为薄板拉伸试样,在试样两端设计工艺孔以配合夹具夹持,并减少夹持端的夹持力不稳定对试验误差的影响。另外,在试样多片组合慢走丝线切割时采用“割三修四”的特殊工艺,以保证试样标距段的精度,减小氧化层的不利影响。拉伸试样如图1所示

          

         薄板单轴拉伸试验时,需尽可能减小试验误差。试样装夹过程中,维持试样上下两端垂直,避免试样拉伸扭曲。每次拉伸试验前均需先预加适当小载荷后再卸载,以消除试样安装间隙误差并获得准确的拉伸位移。试验采用统一的准静态拉伸(应变速率为0.001S-1),将3次重复试验后的平均值作为计算材料真实应力-应变的数据。单轴拉伸试验目的是为了研究薄板特征尺寸和晶粒大小对材料力学性能的尺寸效应,

         因此设计了3组试验:1、不同材料厚度的单轴拉伸;2、不同晶粒尺寸的单轴拉伸;3、不同材料厚度和不同晶粒尺寸的单轴拉伸。

         

磷青铜合金试验结果与分析

        材料厚度对磷青铜薄板力学性能的影响为研究材料厚度对磷青铜薄板力学性能的影响,本文分别选取50μm、100μm、250μm、500μm和800μm的薄板进行单轴拉伸试验,获得的厚度对材料力学性能的影响规律曲线如图2所示。从图2中可以看出,材料的力学性能在厚度方向上存在明显的“越小越强”尺寸效应,表明磷青铜薄板拉伸时,表面层效应已不再起主导作用,含内禀尺寸的应变梯度效应更为显著。材料内部塑性流动在拉伸载荷作用下出现了局部化现象,产生附加的非均匀塑性变形,此时几何必须位错将协调材料内部的点阵畸变,在晶粒内部形成位错墙即亚晶界,亚晶界的出现将极大增大统计储存位错运动的阻力,使得屈服强度提高

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