Efeito interativo da microestrutura e dimensão da cavidade no comportamento de preenchimento na microcunhagem de níquel puro

Scientific Reports volume 6, Número do artigo: 23895 (2016) Citar este artigo

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Neste estudo, foram investigados os efeitos interativos da microestrutura e dimensão da cavidade sobre os comportamentos de preenchimento na microcunhagem. Os resultados indicam que a capacidade de preenchimento depende fortemente da largura da cavidade t e da razão entre a largura da cavidade e o tamanho do grão t/d. A relação crítica t/d para a pior capacidade de preenchimento aumenta com a largura da cavidade t e tende a desaparecer quando a largura da cavidade t aumenta para 300 μm. Um modelo de preenchimento policristalino considerando o efeito do tamanho de fricção, efeito de grãos constrangidos pelas ferramentas, tamanho de grão, largura da cavidade e relação entre largura da cavidade e tamanho do grão é proposto para revelar o efeito do tamanho do preenchimento na microcunhagem. Um método quase in-situ de difração de retroespalhamento de elétrons (EBSD) é proposto para investigar o mecanismo de preenchimento em microcunhagem. Quando vários grãos atravessam a largura da cavidade, cada grão se deforma heterogeneamente para coordenar a compatibilidade de deformação. Quando há apenas um grão na largura da cavidade, o grão é fragmentado em vários grãos menores com certo prolongamento ao longo da direção da extrusão para coordenar a deformação na cavidade. Isso é diferente dos entendimentos anteriores. Em seguida, o mecanismo de deformação do enchimento é revelado por um modelo proposto considerando o escoamento plástico na microcunhagem.

As micropeças de metal são amplamente aplicadas em eletrônicos automotivos, biomédicos e de consumo e com o rápido desenvolvimento de sistemas micro eletromecânicos (MEMS) e tecnologia de microssistemas (MST)1,2,3,4. Nas últimas duas décadas, a microconformação como uma nova tecnologia de microfabricação desempenhou um papel importante na fabricação de micropeças metálicas. Quando as dimensões das peças de metal diminuem para microescala, ocorrem efeitos de tamanho e restringem o rápido desenvolvimento da microconformação5. É necessário investigar em profundidade os comportamentos de deformação na microconformação. Fu et al.6 constataram que a tensão de escoamento diminui e sua dispersão aumenta com o aumento do tamanho do grão ou diminuição do diâmetro do corpo de prova por meio de ensaios de microcompressão de cilindros de cobre puro. A redução da tensão de fluxo com a miniaturização pode ser interpretada pelos modelos de superfície e modelos de superfície modificados1,7,8,9,10,11 com base no efeito de amolecimento do grão de superfície com superfícies livres. Wang et al.12 revelaram a dispersão da tensão de fluxo na microcompressão através do modelo proposto considerando a distribuição de orientação do grão superficial. Wang et al.13,14 descobriram que a tensão de fluxo aumenta quando há menos de 3-4 grãos ao longo do diâmetro do corpo de prova em microcompressão e revelaram o mecanismo através do modelo proposto considerando o efeito dos grãos superficiais, internos e restritos. Chan et al.15 constataram que o grau de deformação não homogênea aumenta com o aumento do tamanho de grão no processo de microextrusão de cobre puro. Cao et al.16 descobriram que os micropinos extrudados se curvam ao usar materiais de granulação grossa. Lin et al.17 propuseram um modelo baseado na teoria da plasticidade cristalina para revelar a curvatura na microextrusão de materiais de granulação grossa. Meng et al.18 fabricou uma peça flangeada multinível através de microextrusão progressiva e estampagem e investigou o efeito do tamanho do grão na evolução da microestrutura e comportamentos de fratura na microconformação progressiva. Meng et al.19 também investigaram a evolução da microestrutura de titânio comercialmente puro na mesoformação assistida termicamente de um pilar dentário. Os grãos da superfície no extrudado quadrado geram uma estrutura equiaxial devido à deformação severa, refletindo que a mesoformação em temperatura elevada facilita a homogeneização do fluxo de material sem aumentar o tamanho do grão. Kim et al.20 fabricaram eixos de microengrenagens com boa qualidade através do processo ECAP. Wang et al.21 desenvolveram um método baseado em recursos para o processo de forjamento a frio sem defeitos para fabricar uma micropeça não axissimétrica. Yang et al.22 estudaram o efeito da assistência de alta energia nos processos de micro estampagem profunda e micro forjamento. A conformabilidade e a rugosidade da superfície foram melhoradas. Wang et al.23 fabricaram uma microturbina pelo processo de microforjamento isotérmico. Uma microturbina com uma microlâmina mais alta é fabricada ao usar a pré-forma de anel circular em comparação com a circular. Para revelar o mecanismo de deformação em profundidade, Wang et al.24 investigaram o efeito da relação entre a largura da cavidade e o tamanho do grão no comportamento de preenchimento por meio do processo de microcunhagem. Isso indicou que o comportamento de preenchimento é pior quando há apenas cerca de 2 grãos na largura da cavidade em temperatura elevada. Wang et al.25 encontraram resultados semelhantes na microcunhagem à temperatura ambiente. O efeito de tamanho de preenchimento semelhante também foi encontrado. Ast et al.26 investigaram a evolução da microestrutura de três diferentes materiais granulados no processo de nanocunhagem por difração de retroespalhamento de elétrons (EBSD). Os resultados indicaram que fortes gradientes de orientação ocorreram abaixo das cavidades para monocristais, uma formação de subgrãos dentro e ao redor das cavidades para as amostras de grãos ultrafinos (UFG) e apenas um leve alongamento dos grãos dentro da cavidade foi encontrado para o material nanocristalino . Com base na revisão da literatura acima, verifica-se que várias pesquisas foram exploradas e o foco está nos efeitos mecânicos do tamanho e no fluxo plástico do material. Durante o processo de microconformação, os comportamentos de deformação intergranular e intragranular permanecem desconhecidos e precisam ser explorados. Neste estudo, testes de microcunhagem de níquel puro foram conduzidos para investigar os efeitos interativos da microestrutura e da largura da cavidade no comportamento de obturação. O efeito do tamanho do preenchimento ocorre quando há apenas alguns grãos na largura da cavidade. Um método EBSD quase in-situ é proposto para investigar o comportamento de preenchimento e revelar o mecanismo de preenchimento por um modelo baseado na deformação da plasticidade cristalina em microcunhagem.