Efecto interactivo de la microestructura y la dimensión de la cavidad sobre el comportamiento de llenado en la micro acuñación de níquel puro - Almacenamiento criogénico Co., Ltd de Chengdu

Scientific Reports volumen 6, Número de artículo: 23895 (2016) Citar este artículo

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En este estudio, se investigaron los efectos interactivos de la microestructura y la dimensión de la cavidad en los comportamientos de llenado en la micro acuñación. Los resultados indican que la capacidad de llenado depende fuertemente tanto del ancho de la cavidad t como de la relación entre el ancho de la cavidad y el tamaño del grano t/d. La relación crítica t/d para la peor capacidad de llenado aumenta con el ancho de la cavidad t y tiende a desaparecer cuando el ancho de la cavidad t aumenta a 300 μm. Se propone un modelo de relleno policristalino que considera el efecto del tamaño de la fricción, el efecto de los granos restringidos por las herramientas, el tamaño del grano, el ancho de la cavidad y la relación entre el ancho de la cavidad y el tamaño del grano para revelar el efecto del tamaño del relleno en la micro acuñación. Se propone un método de difracción de retrodispersión de electrones cuasi in situ (EBSD) para investigar el mecanismo de llenado en la micro acuñación. Cuando varios granos atraviesan el ancho de la cavidad, cada grano se deforma heterogéneamente para coordinar la compatibilidad de deformación. Cuando solo hay un grano a lo ancho de la cavidad, el grano se fragmenta en varios granos más pequeños con cierta prolongación a lo largo de la dirección de extrusión para coordinar la deformación en la cavidad. Esto es diferente de los entendimientos anteriores. Luego se revela el mecanismo de deformación del llenado mediante un modelo propuesto considerando el flujo plástico en micro acuñación.

Las micropiezas metálicas se aplican ampliamente en la automoción, la biomedicina, la electrónica de consumo y con el rápido desarrollo de los microsistemas electromecánicos (MEMS) y la tecnología de microsistemas (MST)1,2,3,4. En las últimas dos décadas, el microconformado como una nueva tecnología de microfabricación juega un papel importante en la fabricación de micropiezas metálicas. Cuando las dimensiones de las piezas metálicas se reducen a microescala, se producen efectos de tamaño que restringen el rápido desarrollo del microconformado5. Es necesario investigar en profundidad los comportamientos de deformación en la microformación. Fu et al.6 encontraron que la tensión de flujo disminuye y su dispersión aumenta con el aumento del tamaño del grano o la disminución del diámetro de la muestra mediante pruebas de microcompresión de cilindros de cobre puro. La reducción de la tensión de flujo con la miniaturización puede interpretarse mediante modelos de superficie y modelos de superficie modificados1,7,8,9,10,11 basados en el efecto de suavizado del grano superficial con superficies libres. Wang et al.12 revelaron la dispersión de la tensión de flujo en la microcompresión a través del modelo propuesto considerando la distribución de la orientación del grano superficial. Wang et al.13,14 encontraron que la tensión de flujo aumenta cuando hay menos de 3-4 granos a lo largo del diámetro de la muestra en microcompresión y revelaron el mecanismo a través del modelo propuesto considerando el efecto de los granos superficiales, internos y restringidos. Chan et al.15 encontraron que el grado de deformación no homogénea aumenta con el aumento del tamaño de grano en el proceso de microextrusión de cobre puro. Cao et al.16 encontraron que los micro pines extruidos se curvan cuando se usan materiales de grano grueso. Lin et al.17 propusieron un modelo basado en la teoría de la plasticidad cristalina para revelar la curvatura en la microextrusión de materiales de grano grueso. Meng et al.18 fabricaron una pieza con bridas de varios niveles mediante microextrusión progresiva y troquelado e investigaron el efecto del tamaño de grano en la evolución de la microestructura y los comportamientos de fractura en la microformación progresiva. Meng et al.19 también investigaron la evolución de la microestructura del titanio comercialmente puro en la mesoformación asistida térmicamente de un pilar dental. Los granos de la superficie del extruido cuadrado generan una estructura equiaxial debido a la severa deformación, lo que refleja que la mesoformación a temperatura elevada facilita la homogeneización del flujo de material sin engrosar el tamaño del grano. Kim et al.20 fabricaron microejes de engranajes de buena calidad a través del proceso ECAP. Wang et al.21 desarrollaron un método basado en características para un proceso de forjado en frío sin defectos para fabricar una micropieza no axisimétrica. Yang et al.22 estudiaron el efecto de la asistencia de alta energía en los procesos de microembutición profunda y microforja. Se mejoraron la formabilidad y la rugosidad de la superficie. Wang et al.23 fabricaron una microturbina mediante un proceso de microforjado isotérmico. Se fabrica una microturbina con una micropala más alta cuando se usa la preforma de anillo circular en comparación con la que se usa circular. Para revelar el mecanismo de deformación en profundidad, Wang et al.24 investigaron el efecto de la relación entre el ancho de la cavidad y el tamaño del grano en el comportamiento de llenado a través del proceso de micro acuñación. Indicó que el comportamiento de llenado es el peor cuando hay solo alrededor de 2 granos en el ancho de la cavidad a temperatura elevada. Wang et al.25 encontraron resultados similares en la micro acuñación a temperatura ambiente. También se encontró un efecto de tamaño de llenado similar. Ast et al.26 investigaron la evolución de la microestructura de tres materiales granulares diferentes en el proceso de nano acuñación mediante difracción de retrodispersión de electrones (EBSD). Los resultados indicaron que se produjeron fuertes gradientes de orientación debajo de las cavidades para el monocristal, una formación de subgranos dentro y alrededor de las cavidades para las muestras de grano ultrafino (UFG) y solo se encontró una ligera elongación de los granos dentro de la cavidad para el material nanocristalino. . Con base en la revisión de la literatura anterior, se encuentra que se han explorado varias investigaciones y el enfoque está en los efectos del tamaño mecánico y el flujo plástico del material. Durante el proceso de microformado, los comportamientos de deformación intergranular e intragranular siguen siendo desconocidos y deben explorarse. En este estudio, se realizaron pruebas de micro acuñación de níquel puro para investigar los efectos interactivos de la microestructura y el ancho de la cavidad en el comportamiento de llenado. El efecto del tamaño de llenado ocurre cuando solo hay unos pocos granos en el ancho de la cavidad. Se propone un método EBSD cuasi in situ para investigar el comportamiento de llenado y revelar el mecanismo de llenado mediante un modelo basado en la deformación de la plasticidad cristalina en la micro acuñación.

La figura 1(a) muestra la relación entre la relación entre el ancho de la cavidad y el tamaño del grano y la relación entre la altura de la micronervadura y el ancho de la cavidad. Indica que la relación entre la altura de la micronervadura y el ancho de la cavidad tiende a disminuir primero y luego aumenta con la disminución de la relación entre el ancho de la cavidad y el tamaño del grano cuando el ancho de la cavidad está en el rango de 50 a 200 μm. Las relaciones críticas entre el ancho de la cavidad y el tamaño del grano son 1,04, 2,08 y 4,17, respectivamente. Las proporciones críticas dependen del ancho de la cavidad. La peor propiedad de llenado no solo está relacionada con el número de granos a través de la cavidad, sino también con el ancho de la cavidad. Esto es diferente de los hallazgos en las referencias 24,25, lo que confirma que la relación crítica entre el ancho de la cavidad y el tamaño del grano para la peor propiedad de relleno en la micro acuñación es una constante. Cuando el ancho de la cavidad aumenta a 300, 400 y 500 μm, no existe una relación crítica. La relación entre la altura de la micronervadura y el ancho de la cavidad aumenta monótonamente con la disminución de la relación entre el ancho de la cavidad y el tamaño del grano. En esta situación, las relaciones entre el ancho de la probeta y el ancho de la cavidad son 7, 8,75 y 11,7, respectivamente. El modo de deformación plástica ha cambiado de acuñación y extrusión.

(a) Relación entre la relación entre la altura de la micronervadura y el tamaño del grano y la relación entre la altura de la micronervadura y el ancho de la cavidad (b) efectos de los anchos de la cavidad y los tamaños de grano en las alturas relativas de las micronervaduras (c) modelo policristalino en micro acuñación con miniaturización.

Los comportamientos de llenado son el resultado de la interacción del tamaño del grano, el ancho de la cavidad y la relación entre el ancho de la cavidad y el tamaño del grano, como se muestra en la Fig. 1 (b). La relación entre la altura y el ancho de la cavidad alcanza el máximo cuando el ancho de la cavidad y el tamaño de grano son los valores máximos en este estudio. La altura de llenado relativa es pequeña cuando tanto el ancho de la cavidad como el tamaño del grano son pequeños, lo que no solo depende del ancho de la cavidad, sino también del tamaño del grano y del número de granos a lo largo del ancho de la cavidad. Para analizar el efecto del tamaño de llenado, se construye un modelo policristalino en micro acuñación, como se muestra en la Fig. 1(c). Varios parámetros influyen en la capacidad de llenado en la micro acuñación. Una muestra con un tamaño de grano más pequeño da como resultado una mayor resistencia y contribuye negativamente al llenado del material. Un troquel con un ancho de cavidad más pequeño y una relación entre el ancho de la cavidad y el tamaño del grano hacen que sea más difícil llenar la cavidad debido a la restricción de las herramientas13,14 y el efecto del tamaño de la fricción27,28,29,30, respectivamente. Los efectos interactivos de estos parámetros dan como resultado la capacidad de llenado final en la micro acuñación. Por lo tanto, cuando tanto el ancho de la cavidad como el tamaño del grano son relativamente grandes, tanto la resistencia a la deformación como el factor de fricción son relativamente bajos. Correspondientemente, la altura de llenado relativa alcanza un máximo. Por el contrario, la altura de llenado relativa llega a un mínimo, como se muestra en la Fig. 1(a). La fracción de grano restringida por las herramientas aumenta con el aumento del tamaño del grano o disminuye con el aumento del ancho de la cavidad. Cuando hay menos de 2 granos en el ancho de la cavidad (Fig. 1(c)), todos los granos están restringidos por las herramientas, la fracción de grano restringido alcanza un máximo. El efecto de fortalecimiento por los granos restringidos y el efecto del tamaño de la fricción dan como resultado la peor capacidad de llenado, como se muestra en la Fig. 1 (a) para un ancho de cavidad de 50 y 100 μm. La diferencia de las proporciones críticas es el resultado de la diferencia de los factores de fricción entre el ancho de la cavidad de 50 y 100 μm en la micro acuñación. Cuando hay menos de un grano en el ancho de la cavidad, la capacidad de llenado es aún mejor. Esta aparición de los fenómenos se atribuye a la diferencia de capacidad entre la deformación coordinada intergranular e intragranular. La capacidad de deformación coordinada del grano interno es más fácil que la de entre granos. Así, se obtiene una mejor capacidad de llenado en esta región. Y el mecanismo físico sobre los fenómenos se abordará en detalle en la siguiente sección.

En la micro acuñación, generalmente solo hay varios granos o incluso solo un grano en el ancho de la cavidad. Los comportamientos de deformación que dependen de la distribución de la microestructura no son homogéneos debido a la heterogeneidad de los materiales en la región de deformación. Es difícil analizar el comportamiento de llenado utilizando los modelos tradicionales. Por lo tanto, la observación y el análisis in situ o cuasi in situ son necesarios y necesarios. Para rastrear los comportamientos de deformación de granos individuales en micro acuñación, se propone un método EBSD cuasi in situ en micro formación, como se muestra en la Fig. 2. La muestra rectangular se coloca en el troquel experimental. La principal deformación de la muestra se concentra en el área que se aproxima a la cavidad del troquel. Se pule un lado de la muestra en la dirección del espesor y se escanea un área que se aproxima a la cavidad del troquel en la superficie usando EBSD, como se muestra en la Fig. 2 (a). La región escaneada se marca con un rotulador en el otro lado de la muestra. Luego, la muestra se coloca en los moldes y se presiona con un punzón a una carga de 30 kN y una velocidad de 0,36 mm/min. La muestra deformada se extrae de los troqueles y se escanea usando EBSD nuevamente en la misma área anterior, como se muestra en la Fig. 2 (b). Por lo tanto, las distribuciones de granos en el área de trazado antes y después de la micro acuñación se obtienen como se muestra en la Fig. 2 (c, d) con un ancho de cavidad de 500 μm y un tamaño de grano de 490 μm (índice de confianza promedio de 0,41 para la pieza micro acuñada). En este estudio, se identificaron claramente 5 granos, denominados g1-g5 antes de la deformación, como se indica en la Fig. 2 (c). Después de la deformación, los cinco granos se denotan G1-G5 como se muestra en la Fig. 2 (d). Los números en la Fig. 2(c) del espécimen antes de la deformación y en la Fig. 2(d) del espécimen después de la deformación tienen una correspondencia biunívoca. A través del método EBSD cuasi in situ propuesto, se rastrea la evolución de los granos individuales en la región de deformación. Los comportamientos de deformación del grano individual se pueden analizar comparando las características microestructurales antes y después de la deformación. De la Fig. 2 (c, d), las formas de los granos que se acercan a las esquinas de la cavidad cambian después de la deformación, lo que indica que estos granos experimentan una deformación plástica evidente después de la deformación. El análisis adicional de la revolución de la microestructura y el comportamiento de la deformación plástica se abordará en la siguiente parte.

Diseño esquemático de estudios EBSD cuasi in situ de distribuciones de granos antes y después de la micro acuñación.

(a) diagrama de la microestructura antes de la deformación (b) diagrama de la microestructura después de la deformación. (c) microestructura por EBSD cuasi in situ antes de la deformación (d) microestructura por EBSD cuasi in situ después de la deformación.

La Figura 3 muestra los mapas de distribución de orientación de grano en la región de deformación de la muestra antes y después de la micro acuñación. De la Fig. 3 (a, b), la orientación del grano interno de cada grano es uniforme antes de la deformación. Las orientaciones de los granos marcados (G1-G5) se codificaron como colores desordenados después de la deformación. La orientación del grano de grano individual se cambia con diferente grado después de la micro acuñación. El grado de cambio está relacionado con la ubicación del grano individual. Las distribuciones de orientación de píxeles en la dirección de carga dentro de cada uno de los 5 granos se expresan en polo inverso. La distribución de la orientación se visualiza mediante un código de colores, como se ilustra en la esquina superior izquierda de la Fig. 3(b), es decir, rojo para [100], verde para [101] y azul para [111]. Al seguir el grano individual, es evidente que las orientaciones de los granos variaron, lo que indica la rotación de la red durante el proceso de deformación. Múltiples subregiones con diferentes orientaciones también se desarrollaron en algunos granos, por ejemplo, grano G1 y grano G5 (Fig. 3 (b)), lo que indica una deformación plástica heterogénea obvia dentro de un grano individual. La Fig. 3(c-g) muestra la distribución de la orientación de los píxeles en la dirección de carga dentro de cada uno de los 5 granos, como se expresa en figuras polares inversas. El punto negro en (c) a (g) representa la orientación original del grano individual. En comparación, la orientación se dispersa en cada grano después de la deformación, lo que revela que la deformación plástica no es homogénea incluso en el mismo grano. El grano G1 cambia su orientación de acercarse al <001> a las líneas <101>-<001> y <111>-<001> en dos direcciones. La parte superior del grano G1 gira hacia la orientación de la línea <001>-<111>, la parte inferior del grano G1 gira hacia la orientación de la línea <001>-<101>. El grano G2 rota desde acercarse al <111> al <111> a lo largo de la línea <001>-<111>. El grano G3 gira desde acercarse al <101> hasta la línea <001>-<101>. Grano G4 gira hacia <111> globalmente. El grano G5 gira desde la línea <001>-<101> hasta la línea <001>-<111>. Las desorientaciones en el grano interno ocurren después de la deformación y se atribuyen a mantener la compatibilidad de deformación por deformación heterogénea intergranular e intragranular en esta situación.

Evolución de las orientaciones de los granos paralelas a la dirección de carga de los granos G1-G5 bajo deformación.

(a) distribuciones globales de orientación de grano antes de la deformación (b) distribuciones globales de orientación de grano después de la deformación. (c-g) son la orientación del grano individual antes y después de la deformación.

La desorientación promedio del kernel (KAM) como caracterización de la desorientación local se calcula promediando la desorientación entre el punto en el centro del kernel y sus vecinos más cercanos. KAM se usa comúnmente como una herramienta en OIM (microscopía de imágenes de orientación) para evaluar la magnitud de la deformación plástica residual en los granos de los metales deformados31,32. KAM se correlaciona con la deformación plástica local y las densidades de dislocación geométricamente necesarias33,34,35. Por lo tanto, cuando la deformación plástica entre las subregiones dentro de un grano es homogénea, se obtiene un valor KAM (ángulo) bajo. Por otro lado, la gran falta de homogeneidad de la deformación entre la subregión de un grano conduce a un gran valor de KAM. Los puntos vecinos con una diferencia de orientación de 5° o mayor que el valor medido desde el centro se excluyen del núcleo. En general, los valores de KAM son bajos (<\1°) en granos recristalizados y altos (>1°) en granos deformados. La figura 4 muestra los mapas de distribución de valores KAM de la misma región que se muestra en la figura 3 antes y después de la micro acuñación. De la Fig. 4(a), se ve claramente que el valor de KAM de todos los granos es muy bajo (<1°) antes de la deformación. Puede considerarse que no hay deformación plástica antes de la deformación. Esto está de acuerdo con el material de prueba tratado por tratamiento térmico de recristalización completa. Después de la deformación, la distribución de valores de KAM no es homogénea en diferentes granos y diferentes regiones del grano individual. Los valores más altos (1 a 4 °) de KAM se distribuyen principalmente en los sitios que se acercan al ángulo de entrada del microtroquel y los límites del grano interno, como se muestra en la Fig. 4 (b). También es evidente que dentro de cada grano, los valores de KAM varían, lo que indica falta de homogeneidad de la deformación plástica dentro de los granos individuales. En la parte superior de la microcostilla, los valores de KAM están cerca de cero. Esto significa que no hay tensión plástica obvia después de la deformación. Combinando el análisis de la orientación del grano en la Fig. 3 (f), aunque los granos en la parte superior de la micronervadura no se deforman, la orientación cambia después de la deformación para coordinar la deformación intergranular no homogénea. Los altos valores de KAM en los límites de grano después de la deformación significan que los granos internos se deforman en primer lugar durante la deformación. Del análisis de la distribución de los valores KAM, la deformación es heterogénea en diferentes granos, diferentes regiones del grano individual y límites de grano.

Distribuciones de valores KAM.

(a) antes de la micro acuñación (b) después de la micro acuñación.

La Figura 5 muestra las distribuciones de los límites de grano antes y después de la micro acuñación. Indica que se forman muchos límites de grano angular pequeños después de la micro acuñación acercándose a la esquina de entrada del micro troquel y los límites de grano interno. Los límites gemelos que se acercan a la esquina de entrada del microtroquel cambian a límites generales de gran ángulo, que resultaron de la severa deformación en la región. La Figura 5 (c, d) muestra las desorientaciones de los granos G1 y G2 en la dirección longitudinal. Mediciones de desorientación punto a punto y punto a origen en un trazo de línea a través de un solo grano. Las desorientaciones de punto a origen disminuyen bruscamente de aproximadamente 30° a 10° en la esquina con un ángulo de 38° en comparación con la dirección de extrusión. Estos cambios indican que existe evidencia de una banda de corte debido a una severa deformación plástica en la esquina de entrada de la microcavidad. Para el grano G3, en el lado del límite de grano gemelo, el punto a origen y el punto a punto después de la deformación no cambian en comparación con aquellos antes de la deformación paralela al límite de grano. El punto a punto después de la deformación cambia ligeramente en comparación con el anterior a la deformación perpendicular al límite de grano. El punto de origen después de la deformación cambia de periodicidad en comparación con aquellos antes de la deformación perpendicular al límite del grano. En la Fig. 5 (b), también se puede ver que muchos límites angulares pequeños (líneas amarillas) se distribuyen paralelos al límite de grano. Estos resultados indicaron que la deformación del grano interior G3 es ligera. Al acercarse a la región del límite de grano, el deslizamiento único es el principal modelo de deformación.

Distribuciones de límite de grano antes (a) y después (b) de la micro acuñación. Las muescas (c, d) son las distribuciones de orientación de grano global antes y después de la deformación. Las muescas (e,f) son la orientación del grano individual antes y después de la deformación. El punto negro en (c–f) representa la orientación original del grano individual. Las líneas discontinuas representan la desorientación después de la deformación, las líneas continuas representan la desorientación antes de la deformación.

Según el análisis anterior, cuando hay varios granos en el ancho de la cavidad, el comportamiento de llenado se complica debido a la microestructura heterogénea que acopla el efecto de los parámetros de procesamiento. El grado de deformación depende fuertemente de la distribución del grano. Los granos restringidos por las herramientas se deformaron fuertemente, los granos con superficie libre simplemente cambiaron sus orientaciones para coordinar la deformación intergranular no homogénea con una deformación ligeramente plástica. Granos en la parte interna a través del ancho de la cavidad, el papel de los granos es coordinar la deformación intergranular no homogénea por rotación y deslizamiento con sus granos vecinos. Por lo tanto, el comportamiento de llenado se logra a través de la deformación heterogénea intergranular e intragranular para mantener la compatibilidad de la deformación y llenar la cavidad cuando hay varios granos a lo ancho de la cavidad.

La Figura 6 muestra las distribuciones de orientación de grano de un solo grano a lo largo del ancho de la cavidad antes y después del micro acuñado (índice de confianza promedio de 0,22 para la pieza micro acuñada). De la Fig. 6(a), la orientación del grano más grande de la región es uniforme antes de la deformación. Las distribuciones de orientación de los píxeles en la dirección de carga del grano se expresan en el polo inverso. La distribución de la orientación se visualiza mediante un código de colores, como se ilustra en la esquina inferior izquierda de la figura 6(a), es decir, rojo para [100], verde para [101] y azul para [111]. Siguiendo el grano, es evidente que las orientaciones del grano giraron desde el <562> original hasta el <001> después de la deformación. La orientación <001> es consistente con la dirección de flujo del material. Eso significa que las orientaciones de los cristales de los granos en la región de deformación tienden a girar en la dirección de flujo del material. También se indica claramente que hay muchas zonas y celdas formadas después de la deformación (como se muestra en la Fig. 6 (b)). Se forman las zonas con distribución longitudinal y muchas celdas con distribución transversal se forman en las zonas después de la deformación. Las zonas longitudinales formadas y las celdas transversales están relacionadas con el flujo plástico durante el proceso de deformación.

Distribuciones de orientación de grano.

(a) antes de la micro acuñación (b) después de la micro acuñación.

La Figura 7 muestra las distribuciones de los límites de grano antes y después de la micro acuñación. Indica que se forman muchos límites de grano angulares pequeños y grandes después de la micro acuñación. Los límites de grano angular grandes (LAGB) se distribuyen principalmente a lo largo de la dirección de extrusión y forman nuevos granos más pequeños. Los límites de grano angular pequeño (SAGB) se distribuyen principalmente perpendiculares a la dirección de extrusión. Los granos recién formados se dividen en pequeños subgranos por los pequeños límites angulares de grano (como se muestra en la Fig. 6 (b)).

Distribuciones de límite de grano.

(a) antes de la micro acuñación (b) después de la micro acuñación (c) distribuciones de ángulos de desorientación después de la micro acuñación.

La Figura 8(a,b) muestra las distribuciones de granos antes y después del proceso de micro acuñado cuando solo hay un grano en el ancho de la cavidad en el micro acuñado. Se indica claramente que solo hay un gran grano a lo largo del ancho de la cavidad antes de la deformación. La principal deformación se concentra principalmente en el interior del grano grande. El efecto de los granos vecinos sobre el grano grande es limitado y puede despreciarse debido a que los granos vecinos están lejos del grano grande. Después de la deformación, como se muestra en la Fig. 8(b), el grano grande de origen se fragmenta en varios granos más pequeños. Los granos más pequeños se alargan a lo largo de la dirección del material que fluye hacia la ranura. El mecanismo de fragmentación del grano y la formación de subgranos dependen principalmente del patrón de flujo plástico que induce la deformación por cizallamiento. La figura 8(c) muestra la distribución de la velocidad del flujo de plástico en el proceso de micro acuñación. La dirección de flujo en la región A es paralela a la dirección de extrusión de la micronervadura. La característica de distribución de la velocidad del flujo desde el centro hasta el borde a través del ancho de la cavidad es lamelar. La mayor velocidad de flujo está en el centro de la micronervadura y la velocidad de flujo disminuye desde el centro de la cavidad hacia la pared debido a la fricción de las paredes de la cavidad. El material en la región de deformación A se puede separar en varias capas delgadas de acuerdo con la distribución laminar de la velocidad del flujo. La deformación por cizallamiento ocurre en las interfaces de los materiales interlaminares durante la deformación. La dirección de flujo en la región B está inclinada a la dirección de extrusión de la micronervadura. La velocidad de flujo en la región B se puede separar en dos partes: (1) a lo largo de la dirección de extrusión (Vx) y (2) paralela a la dirección de extrusión (Vy). La velocidad de flujo Vx en la región B inducirá el flujo transversal de los materiales en la región A. Los planos de deslizamiento principal y segundo corresponden a las direcciones longitudinal y transversal, como se muestra en la Fig. 8(d). La deformación por cizallamiento dará como resultado la formación de límites de grano angulares grandes y pequeños durante la deformación, como se muestra en la Fig. 7 (b). Luego se forman nuevos granos a lo largo de la dirección de extrusión (Fig. 8(b)) y las células se forman en los granos más pequeños (Fig. 6(b)).

(a) Distribución de granos antes de la micro acuñación (b) Distribución de granos después de la micro acuñación (c) Distribución del campo de velocidad durante el proceso de micro acuñación (d) Planos de deslizamiento principal y segundo (e) Límites de grano angulares grandes y pequeños durante la deformación.

En este estudio, se investigaron los efectos interactivos de la microestructura y el ancho de la cavidad sobre la capacidad de llenado de los policristales de níquel puro en la micro acuñación. Las conclusiones se extraen de la siguiente manera:

El efecto del tamaño de relleno depende fuertemente tanto del ancho de la cavidad t como de la relación entre el ancho de la cavidad y el tamaño del grano t/d. Los efectos de acoplamiento de la microestructura y la dimensión de la cavidad dan como resultado la peor capacidad de llenado cuando t es 50 μm y t/d es 1,04. La relación crítica t/d aumenta con el ancho de la cavidad t y tiende a desaparecer cuando el ancho de la cavidad t aumenta a 300 μm, debido a la transformación de los patrones de deformación de micro acuñado a micro extrusión.

Se propone un modelo de relleno policristalino en micro acuñación considerando el efecto del tamaño de la fricción, el efecto de los granos restringidos por las herramientas y el tamaño del grano, el ancho de la cavidad, la relación entre el ancho de la cavidad y el tamaño del grano. Estos parámetros aportan un efecto negativo o positivo individualmente sobre la capacidad de llenado y su competencia conduce al efecto del tamaño de llenado en la micro acuñación.

Se propone un método EBSD cuasi in situ para investigar el proceso de llenado en la micro acuñación. El intergranular y el intragranular se deforman heterogéneamente para coordinar la compatibilidad de diferentes granos en la cavidad cuando varios granos atraviesan el ancho de la cavidad. Sin embargo, se forman granos más pequeños con cierta prolongación distribuida a lo largo de la dirección de extrusión cuando solo hay un grano en el ancho de la cavidad debido a la severa deformación plástica en la micro acuñación. Este hallazgo es diferente a los reportes previos e interpretado por un modelo propuesto considerando la severa deformación por corte en la cavidad.

En esta investigación, se diseña un troquel hembra con microranura en forma de U para realizar el proceso de microacuñación e investigar los comportamientos de deformación en la microacuñación. Las dimensiones de las microranuras son 50, 100, 200, 300, 400 y 500 μm de ancho y con una relación específica entre la profundidad de la ranura y el ancho de 3. Se selecciona níquel puro con una pureza del 99,8 % para realizar las pruebas de micro acuñación. Los especímenes fueron fabricados por un proceso de maquinado de precisión. Las dimensiones de la muestra rectangular son 5,5 × 3,5 × 2,0 mm con una esquina de R0,5. Para homogeneizar la microestructura de los materiales recibidos, el material se trató a temperaturas de 500, 650, 900, 1000, 1025 y 1100 °C durante 3 hy luego se enfrió al aire. Los tamaños de grano oscilan entre 13, 23, 48, 107, 267 y 490 μm, respectivamente. Los ensayos de micro acuñación se realizaron mediante una máquina de ensayo Zwick con célula de carga de 100 kN. Para reducir el efecto de la fricción sobre los comportamientos de deformación, todos los ensayos se realizaron con lubricante de aceite de ricino. Las muestras se prensaron con una carga de 10 a 40 kN y se usó una velocidad de perforación baja de 0,36 mm/min para todas las pruebas de esta investigación.

Cómo citar este artículo: Wang, C. et al. Efecto interactivo de la microestructura y la dimensión de la cavidad sobre el comportamiento de llenado en la micro acuñación de níquel puro. ciencia Rep. 6, 23895; doi: 10.1038/srep23895 (2016).

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Los autores agradecen el apoyo financiero de la Fundación Nacional de Ciencias Naturales de China (No. 51375111, No. 51375113 y No. 51505101), la Fundación de Ciencias Postdoctorales de China (No. 2015M571407).

Escuela de Ciencia e Ingeniería de Materiales, Instituto de Tecnología de Harbin, Harbin, 150001, China

Chuanjie Wang, Chunju Wang, Peng Zhang, Debin Shan y Bin Guo

Laboratorio clave de fabricación de microsistemas y microestructuras, Ministerio de Educación, Instituto de Tecnología de Harbin, Harbin, 150080, China

Chunju Wang, Debin Shan y Bin Guo

Academia de Ciencias Fundamentales e Interdisciplinarias, Instituto de Tecnología de Harbin, Harbin, 150080, China

jie xu

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BG y DS diseñaron el trabajo. JX y PZ llevaron a cabo los experimentos. Chuanjie W. y Chunju W. analizaron los resultados y escribieron el manuscrito.

Los autores declaran no tener intereses financieros en competencia.

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Reimpresiones y permisos

Wang, C., Wang, C., Xu, J. et al. Efecto interactivo de la microestructura y la dimensión de la cavidad sobre el comportamiento de llenado en la micro acuñación de níquel puro. Informe científico 6, 23895 (2016). https://doi.org/10.1038/srep23895

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Recibido: 06 Enero 2016

Aceptado: 16 de marzo de 2016

Publicado: 06 abril 2016

DOI: https://doi.org/10.1038/srep23895

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