脉冲激光微冲击成形的晶体塑性有限元模拟与实验研究

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近年来,微机电系统市场持续保持较高的增长率,微细制造技术得到蓬勃发展,其中以激光作为动力源进行的微塑性成形技术引起了学者们的广泛关注,而脉冲激光微冲击成形作为一种先进的板料成形技术引起了研究者们的极大兴趣。激光微冲击成形是利用脉冲激光产生的等离子体爆轰波的冲击力效应使超薄板材产生塑性变形的新技术,可以对微小器件实现非接触式成形。本文对脉冲激光微冲击成形的过程进行了数值模拟,同时也通过实验对这种成形技术做了相应的研究。   首先基于晶体塑性理论,定义并验证了多晶铜材料模型。将晶体材料看成一个个的晶粒单元组成的聚合体,每个晶粒单元都有独立的晶向。编写程序对每个晶粒单元赋予晶向随机的铜材料参数。通过对该多晶体材料模型的单向拉仲验证,这种大量的单晶铜晶粒的集聚可以用以描述多晶铜材料的力学行为。   在对脉冲激光微冲击成形的模拟时,将脉冲激光冲击板料的模型简化为轴对称变形模型,在ABAQUS/Standard中调用本构予程序,完成了对冲击过程的准动态模拟,讨论了脉冲激光冲击次数、晶粒不规则程度、单位面积内晶粒的个数等因素对板料成形量的影响。在对模拟结果的分析中得知:在一定的范围内,随着脉冲激光冲击的次数的增加,板料的变形量逐渐增大,但是由于应变强化的存在,每次冲击引起的变形量逐渐减小;脉冲激光微冲击模型中,晶粒的不规则程度对脉冲激光冲击产生的最大变形量影响不明显,多晶铜模型的材料性能对晶粒的不规则程度不敏感:采用晶体望性有限元方法对脉冲激光微冲击成形的模拟结果中能体现出微小板料的尺度效应。   在对脉冲激光微冲击的实验研究中,参照脉冲激光微冲击成形的原理,选用Nd:YAG红外光脉冲激光器,以黑漆和石英玻璃分别作为吸收层和约束层,设计了一套模具成形系统,提出了实验方案,并通过对紫铜箔的脉冲激光微冲击实验,验证了该实验装置和实验方案的可行性。在对经过脉冲激光微冲击后的铜箔样品的检测后发现:铜箔受脉冲激光冲击的区域有碗状凸起,最大凸起变形量与模拟结果基本吻合;在对铜箔样品的组织检测中,并未发现冲击区域有明显的晶粒细化,晶粒的拉伸也不明显;铜箔冲击区域由于发生塑性变形,其维氏硬度高于未冲击区域,塑性变形越大,维氏硬度越高。
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