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但是,由于微小化,微型零件的成形比传统的成形困难,性能也发生了很大的变化，其原因有以下几点[11] : ①当零件越小,表面积与体积之比迅速增大; ②对于小尺寸零件,工件与工具之间的粘着力、表面张力等显著增大; ③晶粒尺度的影响很显著,不能再像传统工艺那样看成是各向同性的均匀连续体; ④工件表面存储润滑剂相对困难。基于上述几点原因，人们对微型零件的制造和性能进行了深入的研究。
1.4 尺寸效应
运用传统塑性成形工艺加工金属微型零件, 必须考虑尺度效应问题, 如零件的尺寸和形状、晶粒的大小和位置取向、摩擦作用和附着力等。它使得传统的塑性加工工艺无法按原有的理论缩小到微型零件。
影响尺度效应的主要因素有: 材料属性, 工件形状、尺寸及表面特征等。当零件特征尺寸为微米量级时, 晶粒数量和缺陷减少, 位错效应发生变化, 材料的塑性也随之改变; 零件的表面效应对尺度效应发生显著影响, 表面积与体积之比(S/V) 随体积减小而增大, 与特征尺寸成反比。摩擦在加工过程中显著增大而对工艺产生重要影响; 另外, 必须考虑重力、表面张力和附着力等, 而在传统加工工艺中不需要考虑这些力。这些因素对尺度效应直接产生影响。下面来具体介绍尺寸效应对微小材料的影响。
1.4.1 材料成形性能的尺寸效应
人们对材料的微细成形性能研究过程中,首先进行的是基础的拉深和弯曲实验: Fleck[12] 等在微扭转实验中发现无量纲扭转硬化率比宏观尺度增大了3倍；Nix[13]等在压痕实验中发现, 当压头深度减小时, 测得金属或陶瓷的压痕硬度就会随之增加 Stolken[14] 等在薄梁弯曲实验中发现无量纲的弯曲硬化率随着梁的厚度减小而显著增加。Miyazaki、Kals、Kocanda 等[15-18]对不同材料进行的单向拉深实验中发现随着试件尺寸的减小,材料的流动应力也随之减小。M. Geiger等人[19]通过对不同尺寸微型圆柱坯料进行镦粗实验也发现, 材料的流动应力随着坯料尺寸的减小而减小。
这种现象可通过“表面层模型”来解释[20]。如图1所示，相对于内部晶粒来说, 处于表面层晶粒所受到的变形协调条件要求较低, 位错运动及堆积的阻力小, 硬化程度较低, 变形所受到的约束小, 变形流动应力小。晶粒尺寸一定的条件下, 随着坯料尺寸减小, 外层晶粒数占整个坯料晶粒数比例增大, 内、外层加权平均流动应力相应减小。对于尺寸一定的微型坯料, 相对于晶粒尺寸小的坯料, 晶粒尺寸大的坯料其外层晶粒数比例较大, 加权平均流动应力相应减小。简而言之即试样尺寸减小,表面层晶粒所占的体积百分数增加,由于表面层晶粒所受的约束与内层晶粒相比要小,所以材料整体流动应力就会降低，总的应力下降。
从微观统计的角度来看,随着工件尺寸的减小,缺陷存在的概率也减小,材料的强度值应有所提高,部分实验测试结果也证明了这一看法。由此可见,材料的实际强度可能在一定的范围内随着尺寸的减小而降低,但是当尺寸减小到某一临界值时,强度反而增大。
图1.3 表面层模型[22]
1.4.2材料摩擦力的尺寸效应
成形过程中坯料与模具的摩擦对微细成形工艺有很大影响。Tiesler等[21] 研究了成形过程中的摩擦条件的尺寸效应问题,他们认为,随着试件尺寸的减小,材料与模具表面的摩擦系数增大。他们采用一系列不同尺寸比例的试件,进行了测定摩擦系数的双杯挤压镦粗实验,如图1.4 所示,证明了这一观点,这是由于随着试件尺寸的微小化,工件与模具直接接触的面积相对增大,而工件与润滑剂接触的相对面积减小,引起摩擦系数的增大。
图1.4摩擦对杯高的影响（m为摩擦系数）[21]
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