超聲輔助純鈦拉伸試驗研究

（上海交通大學 塑性成形技術與裝備研究院，上海 200240）

隨著產品微型化及相關研究的發展，微制造技術特別是微塑性成形技術日益成為微細加工領域的研究熱點[1—5]，利用超聲振動、激光等輔助微成形的工藝逐漸成為了研究熱點[6—11]。傳統超聲振動輔助塑性成形工藝具有成形載荷低、成形件表面質量好等優點，同時考慮到微成形件尺寸小、成形能量低等特點，在微成形工藝中引入超聲振動輔助成形相對易于實現，因而超聲輔助微成形逐漸成為微成形領域的研究熱點。Bai Y. 等開展了超聲振動輔助金屬薄板壓縮試驗，研究了超聲振動對成形件表面質量的影響，結果表明，成形件表面粗糙度的降低與超聲振幅近似呈線性關系[12]。Yao Z. H. 等研究了高頻超聲振動下微細觀尺度純鋁鐓粗，結果表明，超聲的軟化效應持續時間較短，硬化效應在成形過程中始終存在，且超聲振動施加時間越長硬化效果越明顯[13]。Hung J.C. 等研究了微尺度黃銅微圓柱體超聲輔助鐓粗試驗，結果表明，材料流動應力顯著降低，且試樣尺寸相對于晶粒尺寸對流動應力下降幅度的影響更相關[14]。Yao Z. 等對鋁的微尺度鐓粗發現，超聲振動可降低表面摩擦力，并提高成形件表面質量[15]。Bunget C. 等設計了超聲振動輔助擠壓裝置，并通過相關試驗表明施加超聲振動后成形載荷顯著降低，表面質量顯著提高[16]。

由已有研究可以看出，目前超聲輔助微塑性成形研究相關基礎試驗大部分為鐓粗試驗。盡管該試驗可以在一定程度上反映超聲的影響，但由于微小尺寸下摩擦力的顯著影響，導致超聲對材料流動特性影響的相關研究受到一定制約，因此，本研究采用自制超聲振動薄板拉伸試驗裝置開展超聲輔助 TAl薄板拉伸試驗，測量不同條件下的屈服強度和拉伸強度，研究超聲振動對材料流動特性的影響。

1 超聲輔助薄板拉伸試驗

1.1 試驗方案

試驗材料選用退火TA1純鈦板，板厚為1.1 mm，其化學成分見表1，試樣采用標準拉伸試樣。研究選擇超聲功率和頻率作為影響因素，研究超聲振動對TA1純鈦板材材料流動特性的影響，試驗條件見表2，每組條件下重復3次以減小試驗誤差。試驗在準靜態加載條件下（GB/T 228—2002）進行。

表1 TA1化學成分（質量分數）Tab.1 Chemical composition of TA1 (mass fraction) %

1.2 試驗裝置

為了將超聲能量施加于試樣，本研究設計制造了薄板超聲振動拉伸試驗裝置。裝置由4個功能模塊組成：超聲波發生器、換能器、變幅桿及夾持裝置，見圖1。

表2 試驗條件Tab.2 Test condition

圖1 超聲振動拉伸試驗裝置Fig.1 Apparatus of ultrasonic vibration tensile test

2 試驗結果與討論

2.1 試驗結果

試驗所得不同條件下的應力-應變曲線見圖2。可以看出，在超聲振動作用下，材料屈服強度和抗拉強度出現顯著下降，即材料在塑性變形過程中出現“軟化”。這一現象可以從能量角度解釋，隨著外界超聲能量的輸入，滑移系更易于開動，位錯更易于運動，即超聲能量作用下削弱了材料的各種內應力，使材料更易于塑性變形，即表現為材料屈服強度降低。另外，疊加超聲振動后材料伸長率出現一定程度的下降。伸長率的下降是由于超聲振動能量的介入導致材料內部缺陷提前萌生并擴展，從而導致伸長率下降。

2.2 超聲功率的影響

不同功率條件下屈服強度和抗拉強度見圖3。可以看出，超聲頻率20 kHz條件下，疊加100～300 W超聲振動，TA1純鈦板屈服強度下降7%～10%；且隨著超聲功率的增大，屈服強度逐漸下降。同時可以發現，疊加100～300 W的超聲振動使TAl純鈦板抗拉強度降低 11%～14%，功率對抗拉強度的影響并不顯著。

圖2 超聲輔助拉伸真實應力-應變曲線Fig.2 True stress-strain curves in ultrasonic vibration

圖3 超聲振動功率對屈服強度和抗拉強度的影響(20 kHz)Fig.3 Influences of supersonic vibration power level on yield strength and tensile strength (20 kHz)

疊加超聲振動后，隨著功率的增大，輸入能量的增大進一步促進了位錯運動，從而導致材料屈服強度的降低；功率的增大一方面導致了材料內部缺陷提前萌生并擴展，伸長率下降，抗拉強度下降，另一方面促進了位錯運動，導致更多的位錯塞積，促進了材料的硬化，在這兩種相反機制共同作用下，材料抗拉強度呈現出對功率不敏感的特征。

2.3 超聲頻率的影響

不同頻率條件下屈服強度和抗拉強度見圖4。可以看出，功率為200 W時，屈服強度降低了5%～8%，抗拉強度降低了 11%～14%，即頻率對屈服強度的影響并不顯著，對抗拉強度有顯著的下降作用。

圖4 超聲振動頻率對屈服強度和抗拉強度的影響(200 W)Fig.4 Influences of vibration frequency on yield strength and tensile strength (200 W)

在功率一定的條件下，隨著頻率的增大，材料內部缺陷加速萌生，導致材料抗拉強度顯著下降；頻率的增大導致試樣承受的超聲波作用力相對減小，位錯運動的驅動力下降，從而導致材料屈服強度增大。同時，試樣的幾何尺寸及其動力學特性也對超聲振動的激勵產生影響。在兩種機制共同影響下，材料的屈服強度呈現出對頻率不敏感的特點。

3 結論

利用自制超聲振動拉伸試驗裝置進行了不同條件下的TAl純鈦板材拉伸試驗，得出如下結論。

1) 疊加超聲振動后，材料的屈服強度和抗拉強度均降低，表明材料出現軟化效應。

2) 在頻率為20 kHz條件下，材料屈服強度降低7%～10%，抗拉強度降低11%～14%，隨著功率的增大，材料屈服強度逐漸下降，但功率對抗拉強度的影響并不顯著。

3) 在功率為 200 W 時，材料屈服強度降低5%～8%，抗拉強度降低11%～14%，隨著頻率的增大，材料抗拉強度顯著下降，但頻率對屈服強度的影響并不顯著。