Effet interactif de la microstructure et de la dimension de la cavité sur le comportement de remplissage dans le micro-frappage du nickel pur

Rapports scientifiques volume 6, Numéro d'article : 23895 (2016) Citer cet article

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Dans cette étude, les effets interactifs de la microstructure et de la dimension de la cavité sur les comportements de remplissage dans le micro-frappage ont été étudiés. Les résultats indiquent que la capacité de remplissage dépend fortement à la fois de la largeur de la cavité t et du rapport entre la largeur de la cavité et la taille des grains t/d. Le rapport critique t/d pour la plus mauvaise capacité de remplissage augmente avec la largeur de cavité t et tend à disparaître lorsque la largeur de cavité t augmente jusqu'à 300 μm. Un modèle de remplissage polycristallin prenant en compte l'effet de la taille de frottement, l'effet des grains contraints par les outils, la taille des grains, la largeur de la cavité et le rapport entre la largeur de la cavité et la taille des grains est proposé pour révéler l'effet de la taille du remplissage dans le micro-frappe. Une méthode de diffraction par rétrodiffusion d'électrons (EBSD) quasi in situ est proposée pour étudier le mécanisme de remplissage dans le micro-frappe. Lorsque plusieurs grains traversent la largeur de la cavité, chaque grain se déforme de manière hétérogène pour ordonner la compatibilité de déformation. Lorsqu'il n'y a qu'un seul grain sur la largeur de la cavité, le grain est fragmenté en plusieurs grains plus petits avec une certaine prolongation le long de la direction d'extrusion pour coordonner la déformation dans la cavité. Ceci est différent des compréhensions précédentes. Ensuite, le mécanisme de déformation du remplissage est révélé par un modèle proposé considérant l'écoulement plastique en micro frappe.

Les micro-pièces métalliques sont largement utilisées dans l'automobile, le biomédical, l'électronique grand public et avec le développement rapide des micro-systèmes électromécaniques (MEMS) et de la technologie des micro-systèmes (MST)1,2,3,4. Au cours des deux dernières décennies, le microformage en tant que nouvelle technologie de microfabrication a joué un rôle important dans la fabrication de micropièces métalliques. Lorsque les dimensions des pièces métalliques descendent à l'échelle microscopique, des effets de taille se produisent et limitent le développement rapide du microformage5. Il est nécessaire d'étudier en profondeur les comportements de déformation dans le microformage. Fu et al.6 ont découvert que la contrainte d'écoulement diminue et que sa dispersion augmente avec l'augmentation de la taille des grains ou la diminution du diamètre de l'échantillon par des tests de micro-compression de cylindres en cuivre pur. La réduction de la contrainte d'écoulement avec la miniaturisation peut être interprétée par les modèles de surface et les modèles de surface modifiés1,7,8,9,10,11 basés sur l'effet adoucissant du grain de surface avec des surfaces libres. Wang et al.12 ont révélé la dispersion des contraintes d'écoulement en micro compression à travers le modèle proposé en tenant compte de la distribution d'orientation du grain de surface. Wang et al.13,14 ont découvert que la contrainte d'écoulement augmente lorsqu'il y a moins de 3-4 grains sur le diamètre de l'échantillon en micro-compression et ont révélé le mécanisme à travers le modèle proposé en tenant compte de l'effet des grains de surface, internes et contraints. Chan et al.15 ont constaté que le degré de déformation inhomogène augmente avec l'augmentation de la taille des grains dans le processus de micro-extrusion du cuivre pur. Cao et al.16 ont constaté que les micro-broches extrudées se courbent lors de l'utilisation de matériaux à gros grains. Lin et al.17 ont proposé un modèle basé sur la théorie de la plasticité cristalline pour révéler la courbure dans la micro-extrusion de matériaux à gros grains. Meng et al.18 ont fabriqué une pièce à brides à plusieurs niveaux par micro-extrusion et découpage progressifs et ont étudié l'effet de la taille des grains sur l'évolution de la microstructure et les comportements de rupture dans le microformage progressif. Meng et al.19 ont également étudié l'évolution de la microstructure du titane commercialement pur dans la formation méso assistée thermiquement d'un pilier dentaire. Les grains de surface sur l'extrudat carré génèrent une structure équiaxe en raison d'une déformation sévère, reflétant que la formation méso à température élevée facilite l'homogénéisation du flux de matériau sans grossir la taille des grains. Kim et al.20 ont fabriqué un arbre à micro-engrenages de bonne qualité grâce au processus ECAP. Wang et al.21 ont développé une méthode basée sur les caractéristiques pour un processus de forgeage à froid sans défaut afin de fabriquer une micro-pièce non axisymétrique. Yang et al.22 ont étudié l'effet de l'assistance à haute énergie sur les processus de micro emboutissage profond et de micro forgeage. La formabilité et la rugosité de surface ont été améliorées. Wang et al.23 ont fabriqué une micro turbine par procédé de micro forgeage isotherme. Une micro-turbine avec une micro-aube plus haute est fabriquée lors de l'utilisation de la préforme annulaire circulaire par rapport à celle utilisant la circulaire. Pour révéler le mécanisme de déformation en profondeur, Wang et al.24 ont étudié l'effet du rapport entre la largeur de la cavité et la taille des grains sur le comportement de remplissage grâce au processus de micro-frappe. Il a indiqué que le comportement de remplissage est le pire lorsqu'il n'y a qu'environ 2 grains sur la largeur de la cavité à température élevée. Wang et al.25 ont trouvé des résultats similaires dans le micro-frappage à température ambiante. L'effet de taille de remplissage similaire a également été trouvé. Ast et al.26 ont étudié l'évolution de la microstructure de trois matériaux à grains différents dans le processus de nano-frappe par diffraction par rétrodiffusion d'électrons (EBSD). Les résultats ont indiqué que de forts gradients d'orientation se sont produits sous les cavités pour le monocristal, une formation de sous-grains à l'intérieur et autour des cavités pour les échantillons de grains ultrafins (UFG) et seulement un léger allongement des grains à l'intérieur de la cavité a été trouvé pour le matériau nanocristallin. . Sur la base de la revue de la littérature ci-dessus, on constate que diverses recherches ont été explorées et l'accent est mis sur les effets mécaniques de taille et l'écoulement plastique des matériaux. Au cours du processus de microformage, les comportements de déformation intergranulaire et intragranulaire restent inconnus et doivent être explorés. Dans cette étude, des tests de micro-frappe de nickel pur ont été menés pour étudier les effets interactifs de la microstructure et de la largeur de la cavité sur le comportement de remplissage. L'effet de taille de remplissage se produit lorsqu'il n'y a que quelques grains sur la largeur de la cavité. Une méthode EBSD quasi in-situ est proposée pour étudier le comportement de remplissage et révéler le mécanisme de remplissage par un modèle basé sur la déformation de la plasticité cristalline dans le micro-frappage.

La figure 1(a) montre la relation entre le rapport de la largeur de la cavité à la taille des grains et le rapport de la hauteur de la micro nervure à la largeur de la cavité. Cela indique que le rapport entre la hauteur de la micro nervure et la largeur de la cavité a tendance à diminuer d'abord, puis à augmenter avec la diminution du rapport entre la largeur de la cavité et la taille des grains lorsque la largeur de la cavité est comprise entre 50 et 200 μm. Les rapports critiques entre la largeur de la cavité et la taille des grains sont respectivement de 1,04, 2,08 et 4,17. Les rapports critiques dépendent de la largeur de la cavité. La pire propriété de remplissage n'est pas seulement liée au nombre de grains à travers la cavité, mais également à la largeur de la cavité. Ceci est différent des découvertes dans les références 24, 25, qui confirment que le rapport critique entre la largeur de la cavité et la taille des grains pour la pire propriété de remplissage dans le micro-frappe est une constante. Lorsque la largeur de la cavité passe à 300, 400 et 500 µm, il n'y a pas de rapport critique. Le rapport de la hauteur de la micro nervure à la largeur de la cavité augmente juste avec la diminution du rapport de la largeur de la cavité à la taille de grain de manière monotone. Dans cette situation, les rapports entre la largeur de l'échantillon et la largeur de la cavité sont respectivement de 7, 8,75 et 11,7. Le mode de déformation plastique a changé entre la frappe et l'extrusion.

(a) Relation entre le rapport de la hauteur de la micro nervure à la taille des grains et le rapport de la hauteur de la micro nervure à la largeur de la cavité (b) effets de la largeur de la cavité et de la taille des grains sur les hauteurs relatives des micro nervures (c) modèle polycristallin dans le micro-frappe avec la miniaturisation.

Les comportements de remplissage sont le résultat de l'interaction de la taille des grains, de la largeur de la cavité et du rapport entre la largeur de la cavité et la taille des grains, comme le montre la figure 1 (b). Le rapport de la hauteur à la largeur de la cavité atteint le maximum lorsque la largeur de la cavité et la taille des grains sont les valeurs maximales dans cette étude. La hauteur de remplissage relative est faible lorsque la largeur de la cavité et la taille des grains sont petites, ce qui dépend non seulement de la largeur de la cavité, mais également de la taille des grains et du nombre de grains sur toute la largeur de la cavité. Pour analyser l'effet de la taille de remplissage, un modèle polycristallin en micro-frappe est construit, comme le montre la figure 1 (c). Plusieurs paramètres influencent la capacité de remplissage en micro-frappe. Un spécimen avec une granulométrie plus petite donne une résistance plus élevée et contribue négativement au remplissage du matériau. Une matrice avec une largeur de cavité et un rapport largeur de cavité/granulométrie plus petits rend plus difficile le remplissage de la cavité en raison de la contrainte des outils13,14 et de l'effet de taille de friction27,28,29,30, respectivement. Les effets interactifs de ces paramètres se traduisent par la capacité de remplissage finale dans le micro-frappe. Ainsi, lorsque la largeur de la cavité et la taille des grains sont relativement importantes, la résistance à la déformation et le facteur de frottement sont relativement faibles. De manière correspondante, la hauteur de remplissage relative atteint un maximum. Au contraire, la hauteur de remplissage relative atteint un minimum, comme le montre la figure 1(a). La fraction de grain contrainte par les outils augmente avec l'augmentation de la taille du grain ou diminue avec l'augmentation de la largeur de la cavité. Lorsqu'il y a moins de 2 grains sur la largeur de la cavité (Fig. 1(c)), tous les grains sont contraints par les outils, la fraction de grains contraints atteint un maximum. L'effet de renforcement par les grains contraints et l'effet de taille de frottement entraînent la pire capacité de remplissage, comme le montre la figure 1 (a) pour une largeur de cavité de 50 et 100 μm. La différence des rapports critiques résulte de la différence des facteurs de frottement entre la largeur de cavité de 50 et 100 μm dans le micro-frappage. Lorsqu'il y a moins d'un grain sur la largeur de la cavité, la capacité de remplissage est encore meilleure. Cette occurrence du phénomène est attribuée à la différence de capacité entre la déformation coordonnée intergranulaire et intragranulaire. La capacité de déformation coordonnée du grain intérieur est plus facile que celle des grains. Ainsi, une meilleure capacité de remplissage est obtenue dans cette région. Et le mécanisme physique du phénomène sera abordé en détail dans la section suivante.

Dans le micro-frappage, il n'y a généralement que plusieurs grains ou même un seul grain sur la largeur de la cavité. Les comportements de déformation dépendant de la distribution de la microstructure sont inhomogènes en raison des matériaux hétérogènes dans la région de déformation. Il est difficile d'analyser le comportement de remplissage à l'aide des modèles traditionnels. Ainsi, l'observation et l'analyse in situ ou quasi in situ sont nécessaires et nécessaires. Pour tracer les comportements de déformation du grain individuel dans le micro-frappage, une méthode EBSD quasi in situ est proposée dans le micro-formage, comme illustré à la Fig. 2. L'échantillon rectangulaire est placé dans la matrice expérimentale. La déformation principale de l'échantillon se concentre sur la zone approchant la cavité de la matrice. Un côté de l'échantillon dans le sens de l'épaisseur est poli et une zone s'approchant de la cavité de la matrice sur la surface est balayée à l'aide d'EBSD, comme illustré sur la figure 2 (a). La région numérisée est marquée par un stylo marqueur de l'autre côté de l'échantillon. Ensuite, l'échantillon est placé dans les matrices et pressé par un poinçon à une charge de 30 kN et une vitesse de 0,36 mm/min. L'échantillon déformé est retiré des matrices et scanné à nouveau à l'aide de l'EBSD sur la même zone ci-dessus, comme indiqué sur la figure 2 (b). Ainsi, les distributions des grains dans la zone de traçage avant et après le micro-frappage sont obtenues comme indiqué sur la Fig. 2 (c, d) sous une largeur de cavité de 500 μm et une taille de grain de 490 μm (indice de confiance moyen 0, 41 pour la pièce micro-frappée). Dans cette étude, 5 grains, notés g1-g5 avant déformation, ont été clairement identifiés, comme indiqué sur la Fig. 2(c). Après déformation, les cinq grains sont notés G1-G5 comme le montre la figure 2 (d). Les numéros de la Fig. 2(c) de l'éprouvette avant déformation et de la Fig. 2(d) de l'éprouvette après déformation sont en correspondance biunivoque. Grâce à la méthode EBSD quasi in situ proposée, l'évolution du grain individuel dans la région de déformation est tracée. Les comportements de déformation du grain individuel peuvent être analysés en comparant les caractéristiques microstructurales avant et après déformation. D'après la figure 2 (c, d), les formes des grains approchant les coins de la cavité sont modifiées après déformation, ce qui indique que ces grains subissent une déformation plastique évidente après déformation. L'analyse plus approfondie de la révolution de la microstructure et du comportement de déformation plastique sera abordée dans la partie suivante.

Conception schématique d'études EBSD quasi in-situ des distributions de grains avant et après le micro-frappage.

(a) schéma de microstructure avant déformation (b) schéma de microstructure après déformation. (c) microstructure par EBSD quasi in-situ avant déformation (d) microstructure par EBSD quasi in-situ après déformation.

La figure 3 montre les cartes de distribution d'orientation des grains dans la région de déformation de l'échantillon avant et après le micro-frappage. D'après la figure 3 (a, b), l'orientation interne du grain de chaque grain est uniforme avant déformation. Les orientations des grains marqués (G1-G5) ont été codées en couleurs désordonnées après déformation. L'orientation du grain du grain individuel est modifiée à différents degrés après le micro-frappage. Le degré de changement est lié à l'emplacement de chaque grain. Les distributions d'orientation des pixels dans la direction de chargement au sein de chacun des 5 grains sont exprimées en pôle inverse. La distribution d'orientation est visualisée par un codage couleur, comme illustré dans le coin supérieur gauche de la Fig. 3(b), c'est-à-dire rouge pour [100], vert pour [101] et bleu pour [111]. En suivant le grain individuel, il est évident que les orientations des grains varient, indiquant la rotation du réseau au cours du processus de déformation. Plusieurs sous-régions avec des orientations différentes se sont également développées dans certains grains, par exemple le grain G1 et le grain G5 (Fig. 3 (b)), indiquant une déformation plastique hétérogène évidente au sein d'un grain individuel. La figure 3 (c – g) montre la distribution d'orientation des pixels dans la direction de chargement dans chacun des 5 grains, exprimée en figures de pôles inverses. La tache noire de (c) à (g) représente l'orientation d'origine du grain individuel. Par comparaison, l'orientation est dispersée dans chaque grain après déformation, révélant que la déformation plastique est inhomogène même dans le même grain. Le grain G1 change son orientation de l'approche du <001> aux lignes <101>-<001> et <111>-<001> dans deux directions. La partie supérieure du grain G1 tourne dans l'orientation de la ligne <001>-< 111>, la partie inférieure du grain G1 tourne dans l'orientation de la ligne <001>-<101>. Le grain G2 tourne de l'approche du <111> au <111> le long de la ligne <001>-<111>. Le grain G3 tourne depuis l'approche du <101> jusqu'à la ligne <001>-<101>. Le grain G4 tourne vers <111> globalement. Le grain G5 tourne de la ligne <001>-<101> à la ligne <001>-<111>. Les désorientations dans le grain interne se produisent après la déformation et contribuent à maintenir la compatibilité de déformation par déformation hétérogène intergranulaire et intragranulaire dans cette situation.

Évolution des orientations des grains parallèlement à la direction de chargement des grains G1–G5 sous déformation.

(a) distributions globales d'orientation des grains avant déformation (b) distributions globales d'orientation des grains après déformation. (c–g) sont l'orientation du grain individuel avant et après déformation.

La désorientation moyenne du noyau (KAM) en tant que caractérisation de la désorientation locale est calculée en faisant la moyenne de la désorientation entre le point au centre du noyau et ses voisins les plus proches. Le KAM est couramment utilisé comme outil en OIM (microscopie d'imagerie d'orientation) pour évaluer l'ampleur de la déformation plastique résiduelle dans les grains des métaux déformés31,32. KAM est corrélé avec la déformation plastique locale et les densités de dislocation géométriquement nécessaires33,34,35. Par conséquent, lorsque la déformation plastique entre les sous-régions d'un grain est homogène, une faible valeur KAM (angle) est obtenue. D'autre part, une grande inhomogénéité de déformation dans la sous-région d'un grain conduit à une grande valeur KAM. Les points voisins avec une différence d'orientation de 5° ou plus que la valeur mesurée à partir du centre sont exclus du noyau. En général, les valeurs de KAM sont faibles (<\1°) dans les grains recristallisés et élevées (>1°) dans les grains déformés. La figure 4 montre les cartes de distribution des valeurs KAM de la même région illustrée à la figure 3 avant et après le micro-frappe. D'après la Fig. 4(a), on voit clairement que la valeur de KAM de tous les grains est très faible (<1°) avant déformation. On peut considérer qu'il n'y a pas de déformation plastique avant déformation. Ceci est conforme au matériau d'essai traité par un traitement thermique de recristallisation complète. Après déformation, la distribution des valeurs de KAM est inhomogène dans différents grains et différentes régions du grain individuel. Les valeurs les plus élevées (1 à 4 °) de KAM sont principalement réparties sur les sites approchant l'angle d'entrée de la micro filière et les limites du grain interne, comme le montre la Fig. 4 (b). Il est également évident qu'au sein de chaque grain, les valeurs de KAM varient, ce qui indique une inhomogénéité de la déformation plastique au sein des grains individuels. Au sommet de la micro nervure, les valeurs de KAM sont proches de zéro. Cela signifie qu'il n'y a pas de déformation plastique évidente après déformation. En combinant l'analyse de l'orientation des grains sur la figure 3 (f), bien que les grains au sommet de la micro-nervure ne soient pas déformés, mais l'orientation est modifiée après déformation pour coordonner la déformation intergranulaire inhomogène. Les valeurs élevées de KAM aux joints de grains après déformation signifient que les grains internes se déforment d'abord lors de la déformation. D'après l'analyse de la distribution des valeurs KAM, la déformation est inhomogène dans différents grains, différentes régions du grain individuel et des joints de grains.

KAM valorise les distributions.

(a) avant le micro-frappage (b) après le micro-frappe.

La figure 5 montre les distributions des joints de grains avant et après le micro-frappe. Cela indique qu'un grand nombre de petits joints de grains angulaires se forment après le micro-frappage à l'approche du coin d'entrée de la micro-matrice et des joints de grains internes. Les limites jumelles approchant le coin d'entrée de la micro matrice se transforment en limites générales à grand angle, résultant de la déformation sévère de la région. Les figures 5(c,d) montrent les désorientations des grains G1 et G2 dans le sens longitudinal. Mesures de désorientation point à point et point à origine dans une trace de ligne sur un seul grain. Les désorientations du point à l'origine diminuent fortement d'environ 30° à 10° au coin avec un angle de 38° par rapport à la direction d'extrusion. Ces changements indiquent qu'il existe une bande de cisaillement évidente en raison d'une déformation plastique sévère dans le coin d'entrée de la microcavité. Pour le grain G3, du côté du joint de grain macle, les point à origine et point à point après déformation ne sont pas modifiés par rapport à ceux avant déformation parallèlement au joint de grain. Le point à point après déformation est légèrement modifié par rapport à celui avant déformation perpendiculaire au joint de grain. Le point à l'origine après déformation est changé de périodicité par rapport à ceux avant déformation perpendiculairement au joint de grain. Sur la figure 5 (b), on peut également voir que de nombreux petits joints angulaires (lignes jaunes) sont répartis parallèlement au joint de grain. Ces résultats indiquent que la déformation du grain intérieur G3 est légère. En s'approchant de la région du joint de grain, le glissement unique est le modèle de déformation principal.

Distributions des joints de grains avant (a) et après (b) micro-frappe. Les encoches (c,d) sont les distributions globales d'orientation des grains avant et après déformation. Les encoches (e,f) sont l'orientation du grain individuel avant et après déformation. La tache noire en (c – f) représente l'orientation d'origine du grain individuel. Les traits pointillés représentent la désorientation après déformation, les traits pleins représentent la désorientation avant déformation.

Sur la base de l'analyse ci-dessus, lorsqu'il y a plusieurs grains sur la largeur de la cavité, le comportement de remplissage est compliqué en raison de la microstructure hétérogène couplant l'effet des paramètres de traitement. Le degré de déformation dépend fortement de la répartition des grains. Les grains contraints par les outils se sont fortement déformés, les grains à surface libre changeant simplement d'orientation pour coordonner la déformation intergranulaire inhomogène avec une déformation légèrement plastique. Grains dans la partie interne sur toute la largeur de la cavité, le rôle des grains est de coordonner la déformation intergranulaire inhomogène par rotation et glissement avec leurs grains voisins. Par conséquent, le comportement de remplissage est obtenu par déformation hétérogène intergranulaire et intragranulaire pour maintenir la compatibilité de déformation et remplir la cavité lorsqu'il y a plusieurs grains sur la largeur de la cavité.

La figure 6 montre les distributions d'orientation des grains d'un seul grain sur la largeur de la cavité avant et après le micro-frappage (indice de confiance moyen de 0,22 pour la pièce micro-frappée). D'après la figure 6 (a), l'orientation du plus gros grain de la région est uniforme avant déformation. Les distributions d'orientation des pixels dans la direction de chargement du grain sont exprimées dans le pôle inverse. La distribution d'orientation est visualisée par un codage couleur, comme illustré dans le coin inférieur gauche de la figure 6(a), c'est-à-dire rouge pour [100], vert pour [101] et bleu pour [111]. En suivant le grain, il est évident que les orientations du grain ont tourné de l'original <562> à <001> après déformation. L'orientation <001> est cohérente avec le sens d'écoulement du matériau. Cela signifie que les orientations cristallines des grains dans la région de déformation ont tendance à tourner dans le sens de l'écoulement du matériau. Il est également clairement indiqué qu'il existe de nombreuses zones et cellules formées après déformation (comme le montre la figure 6 (b)). Les zones à répartition longitudinale se forment et de nombreuses cellules à répartition transversale se forment dans les zones après déformation. Les zones longitudinales formées et les cellules transversales sont liées à l'écoulement plastique lors du processus de déformation.

Distributions d'orientation des grains.

(a) avant le micro-frappage (b) après le micro-frappe.

La figure 7 montre les distributions des joints de grains avant et après le micro-frappage. Cela indique que de nombreux joints de grains angulaires petits et grands se forment après le micro-frappage. Les grands joints de grains angulaires (LAGB) sont principalement répartis le long de la direction d'extrusion et forment de nouveaux grains plus petits. Les petits joints de grains angulaires (SAGB) sont principalement distribués perpendiculairement à la direction d'extrusion. Les nouveaux grains formés sont divisés en petits sous-grains par les petits joints de grains angulaires (comme le montre la figure 6 (b)).

Distributions aux joints de grains.

(a) avant le micro-frappage (b) après le micro-frappe (c) les distributions d'angle de désorientation après le micro-frappe.

La figure 8 (a, b) montre les distributions de grains avant et après le processus de micro-frappe lorsqu'il n'y a qu'un seul grain sur toute la largeur de la cavité dans la micro-frappe. Il est clairement indiqué qu'il n'y a qu'un seul gros grain sur toute la largeur de la cavité avant déformation. La déformation principale se concentre principalement sur l'intérieur du gros grain. L'effet des grains voisins sur le gros grain est limité et peut être négligé car les grains voisins sont éloignés du gros grain. Après déformation, comme le montre la figure 8 (b), le gros grain d'origine est fragmenté en plusieurs grains plus petits. Les grains plus petits sont allongés le long de la direction du matériau s'écoulant dans la rainure. Le mécanisme de fragmentation des grains et la formation de sous-grains dépendent principalement du schéma d'écoulement plastique induisant une déformation par cisaillement. La figure 8 (c) montre la distribution de vitesse du flux de plastique dans le processus de micro-frappe. La direction d'écoulement au niveau de la région A est parallèle à la direction d'extrusion de la micro nervure. La caractéristique de distribution de la vitesse d'écoulement du centre vers le bord sur toute la largeur de la cavité est lamellaire. La plus grande vitesse d'écoulement se trouve au centre de la micro nervure et la vitesse d'écoulement diminue du centre de la cavité vers la paroi en raison du frottement des parois de la cavité. Le matériau dans la région de déformation A peut être séparé en plusieurs couches minces selon la distribution lamellaire de la vitesse d'écoulement. La déformation par cisaillement se produit aux interfaces des matériaux interlaminaires lors de la déformation. La direction d'écoulement au niveau de la région B est inclinée par rapport à la direction d'extrusion de la micro nervure. La vitesse d'écoulement au niveau de la région B peut être séparée en deux parties : (1) le long de la direction d'extrusion (Vx) et (2) parallèlement à la direction d'extrusion (Vy). La vitesse d'écoulement Vx au niveau de la région B induira l'écoulement transversal des matériaux dans la région A. Les plans de glissement principal et secondaire correspondent aux directions longitudinale et transversale, comme illustré sur la figure 8(d). La déformation par cisaillement entraînera la formation des grands et petits joints de grains angulaires pendant la déformation, comme illustré à la figure 7 (b). Ensuite, de nouveaux grains sont formés le long de la direction d'extrusion (Fig. 8 (b)) et les cellules sont formées dans les grains plus petits (Fig. 6 (b)).

(a) Répartition des grains avant la micro-frappe (b) distribution des grains après la micro-frappe (c) distribution du champ de vitesse pendant le processus de micro-frappe (d) plans de glissement principaux et secondaires (e) grands et petits joints de grains angulaires pendant la déformation.

Dans cette étude, les effets interactifs de la microstructure et de la largeur de la cavité sur la capacité de remplissage des polycristaux de nickel pur dans le micro-frappage ont été étudiés. Les conclusions sont tirées comme suit :

L'effet de la taille de remplissage dépend fortement à la fois de la largeur de la cavité t et du rapport de la largeur de la cavité à la taille de grain t/d. Les effets de couplage de la microstructure et de la dimension de la cavité entraînent la pire capacité de remplissage lorsque t est de 50 μm et t/d est de 1,04. Le rapport critique t/d augmente avec la largeur de cavité t et tend à disparaître lorsque la largeur de cavité t augmente jusqu'à 300 µm, du fait de la transformation des motifs de déformation du micro coining au micro extrusion.

Un modèle de remplissage polycristallin en micro-frappe est proposé en considérant l'effet de taille de frottement, l'effet des grains contraints par les outils et la taille des grains, la largeur de la cavité, le rapport de la largeur de la cavité à la taille des grains. Ces paramètres contribuent individuellement à un effet négatif ou positif sur la capacité de remplissage et leur concurrence conduit à l'effet de taille de remplissage dans le micro-frappe.

Une méthode EBSD quasi in-situ est proposée pour étudier le processus de remplissage dans le micro-frappe. L'intergranulaire et l'intragranulaire se déforment de manière hétérogène pour ordonner la compatibilité des différents grains dans la cavité lorsque plusieurs grains traversent la largeur de la cavité. Cependant, des grains plus petits avec une certaine extension répartis le long de la direction d'extrusion sont formés lorsqu'il n'y a qu'un seul grain sur la largeur de la cavité en raison d'une déformation plastique sévère dans le micro-frappage. Cette découverte est différente des rapports précédents et interprétée par un modèle proposé tenant compte de la déformation de cisaillement sévère dans la cavité.

Dans cette recherche, une matrice femelle avec une micro-rainure en forme de U est conçue pour mener le processus de micro-frappe et pour étudier les comportements de déformation dans la micro-frappe. Les dimensions des micro-rainures sont de 50, 100, 200, 300, 400 et 500 μm de largeur et avec un rapport spécifique entre la profondeur de la rainure et la largeur de 3. Du nickel pur avec une pureté de 99,8 % est sélectionné pour effectuer les tests de micro-frappe. Les spécimens ont été fabriqués par un procédé d'usinage de précision. Les dimensions du spécimen rectangulaire sont de 5,5 × 3,5 × 2,0 mm avec un coin de R0,5. Pour homogénéiser la microstructure des matériaux tels que reçus, le matériau a été traité à une température de 500, 650, 900, 1000, 1025 et 1100 ° C pendant 3 h, puis refroidi à l'air. Les tailles de grains varient respectivement de 13, 23, 48, 107, 267 et 490 μm. Les tests de micro frappe ont été effectués par une machine de test Zwick avec une cellule de charge de 100 kN. Pour réduire l'effet du frottement sur les comportements de déformation, tous les essais ont été réalisés avec un lubrifiant à base d'huile de ricin. Les éprouvettes ont été pressées avec une charge de 10 à 40 kN et une faible vitesse de poinçonnage de 0,36 mm/min a été utilisée pour tous les essais de cette recherche.

Comment citer cet article : Wang, C. et al. Effet interactif de la microstructure et de la dimension de la cavité sur le comportement de remplissage dans le micro-frappage du nickel pur. Sci. Rep. 6, 23895; doi : 10.1038/srep23895 (2016).

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Les auteurs remercient le soutien financier de la National Natural Science Foundation of China (n° 51375111, n° 51375113 et n° 51505101), la China Postdoctoral Science Foundation (n° 2015M571407).

École des sciences et de l'ingénierie des matériaux, Institut de technologie de Harbin, Harbin, 150001, Chine

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

Key Laboratory of Micro-Systems and Micro-Structures Manufacturing, Ministry of Education, Harbin Institute of Technology, Harbin, 150080, Chine

Chunju Wang, Debin Shan et Bin Guo

Académie des sciences fondamentales et interdisciplinaires, Harbin Institute of Technology, Harbin, 150080, Chine

Jie Xu

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BG et DS ont conçu l'œuvre. JX et PZ ont réalisé les expériences. Chuanjie W. et Chunju W. ont analysé les résultats et rédigé le manuscrit.

Les auteurs déclarent une absence d'intérêts financiers en compétition.

Ce travail est sous licence internationale Creative Commons Attribution 4.0. Les images ou tout autre matériel tiers dans cet article sont inclus dans la licence Creative Commons de l'article, sauf indication contraire dans la ligne de crédit ; si le matériel n'est pas inclus dans la licence Creative Commons, les utilisateurs devront obtenir l'autorisation du titulaire de la licence pour reproduire le matériel. Pour voir une copie de cette licence, visitez http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/

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Wang, C., Wang, C., Xu, J. et al. Effet interactif de la microstructure et de la dimension de la cavité sur le comportement de remplissage dans le micro-frappage du nickel pur. Sci Rep 6, 23895 (2016). https://doi.org/10.1038/srep23895

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Reçu : 06 janvier 2016

Accepté : 16 mars 2016

Publié: 06 avril 2016

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

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