基于位错亚结构演化的塑性微体积成形微观机理研究

To verify the micromechanism in micro-bulk forming of metal parts, the viewpoint of dislocation substructure evolution during plastic deformation behavior in mesoscale is proposed in this project. The effect of coupling reaction of microstructure and surface (the free surface and constrained surface) effects on the evolution behavior of the dislocation substructure in micro compression is investigated combining the methods of experimental and theoretical analysis. A material constitutive model based on the evolution behavior of the dislocation substructure is constructed to reveal the micromechanism of flow stress size effect in micro-bulk metal forming. The effect of coupling reaction of microstructure and surface effects on the filling behavior in micro coining is investigated using the proposed quasi in-situ electron backscatter diffraction (EBSD) technology. The filling model based on the evolution behavior of the dislocation substructure in micro coining is constructed to reveal the filling micromechanism in micro coining. On the basis, the influence of multi parameter interaction on the forming process of microchannel components is researched to determine the optimal process parameters and achieve controllable fabrication of micro components with high quality. The results of this project will be helpful to reveal the physical essence of size effects in microforming. Also, they will play an important role on promoting the microforming technology for protential application in micromanufacturing field and provide the theoretical basis for the controllable forming of microparts with high quality.

为了探明微体积构件精密成形中的微观机理问题，本项目提出从介观尺度材料塑性变形过程中位错亚结构演化的角度出发，采用实验研究和理论分析相结合的方法，研究微压缩过程中微观组织与表面（自由表面和约束表面）效应耦合作用对位错亚结构演化的影响规律，构建基于位错亚结构演化的介观尺度材料本构模型，揭示微体积成形中流动应力尺度效应的微观机理，提出一种基于准原位电子背散射衍射（EBSD）微模压充填行为分析的实验方法，研究微观组织与表面效应耦合作用对其充填行为的影响规律，构建基于位错亚结构演化的充填理论模型，探明微型槽模压充填协调变形微观机制。在此基础上，研究多参数交互作用对微通道构件成形工艺的影响，确定最佳的微成形工艺参数，实现微通道构件高质量可控制造。项目的研究成果有助于揭示微成形尺度效应产生的物理本质，对于促进微成形技术在微制造领域的实际应用具有重要意义，并为微型零件高质量可控成形提供理论依据。

针对微纳器件与系统对微体积构件的低成本、批量化制造需求，开展了微体积构件精密塑性成形技术应用基础研究，研究了微型圆柱平面应变微压缩塑性变形行为，发现了依赖于晶粒尺寸和塑性应变的流动应力尺度效应现象，发现了微压缩过程中摩擦因子随高径比降低而逐渐增加、随压下量增加逐渐降低最后趋于平稳的现象，引入高径比和应变的影响，构建了基于“开放-封闭润滑坑”的介观尺度摩擦因子演化行为模型，揭示了介观尺度摩擦尺度效应机理，探明了介观尺度塑性变形过程中位错亚结构的演化行为，构建了分别基于多晶体和位错亚结构演化的介观尺度材料本构模型，揭示了微体积构件塑性成形流动应力尺度效应微观机理，发现了微模压过程中材料相对充填高度与槽宽尺寸、槽宽尺寸与晶粒尺寸之比的依赖性关系，构建了考虑摩擦尺度效应、表面效应与微观组织耦合作用的充填理论模型，揭示了介观尺度型腔尺寸、晶粒尺寸及其比值耦合作用对介观尺度材料充填性的影响机理，提出了一种基于准原位EBSD技术的材料分析方法，明晰了微充填过程中材料微观亚结构原位演化规律及其对充填性能的影响，构建了基于位错亚结构演化的微模压充填理论模型，探明了微模压充填协调变形微观机制，在此基础上开展了阵列式微通道成形工艺研究，实现了微体积构件高质量可控制造，项目的研究成果有助于揭示塑性微成形尺度效应产生的物理本质，对于促进塑性微成形技术在微制造领域的实际应用具有重要意义，并为微型零件高质量可控成形提供理论依据。