文丨胖仔研究社

编辑丨胖仔研究社

前言

超声振动辅助微成形是利用超声空化效应，在外力作用下，通过在工件内部产生振动，使材料在塑性变形过程中产生弹性、粘弹性和塑性变形，从而提高材料的变形能力。

由于超声振动辅助微成形中的材料变形行为与普通塑性成形有较大区别，其涉及到不同于普通塑性成形的超声振动作用机制。

本文在已有的研究基础上，对超声振动辅助微成形中的超声作用机制进行了总结，并从力学角度出发，阐述了超声振动辅助微成形中材料变形行为的机理。

根据现有的研究表明，超声振动辅助微成形中的材料变形过程是一个力学、物理和化学过程结合在一起的多物理场耦合过程。

超声振动辅助微成形的超声作用机制

超声振动辅助微成形技术是在传统的金属塑性成形过程中加入超声振动，通过超声振动来辅助塑性成形的技术。

该技术可以极大地提高材料的塑性成形能力，同时也能促进材料在微塑性变形过程中的动态再结晶过程。

近年来，随着对超声振动作用机制研究的不断深入，在微塑性成形中加入超声振动已成为一种趋势。然而，由于超声振动辅助微成形中的工艺复杂性，目前对该技术的研究还不是很深入。

为了更好地理解超声振动辅助微成形中的超声作用机制，需要将微成形过程进行分解，即包括塑性变形、再结晶、晶粒细化、显微组织演化等几个过程。

根据能量理论，超声波在金属材料中传播时产生的机械能称为超声波，而超声振动产生的机械能则是通过改变金属材料内部组织结构来实现。

首先，当超声波在金属中传播时会受到其周围介质的影响。例如，空气会吸收超声波能量并产生机械效应；液体则会吸收超声波能量并产生空化效应；金属材料则会吸收超声波能量并产生热效应。

这些物理过程都能起到改变材料内部组织结构的作用。根据声-热-力耦合理论，机械力可以分为两种类型：机械能和声能。机械能指物体运动时所消耗的能量；而声能指物体振动时所消耗的能量。

由于金属材料具有不同于其他材料的特性，因此在金属材料中，超声振动对声能有较大影响。

这种能量可以改变材料内部结构，从而影响其微观组织，在塑性变形过程中，超声振动可以加速金属材料内部的流动，使其流动速率加快，从而改变材料内部的组织结构。

另外，超声振动还可以在塑性变形过程中降低材料的温度，使材料的变形能力得以提高，由于超声振动会导致金属材料内部产生组织变形和再结晶等过程，因此在微塑性成形过程中加入超声振动可以促进晶粒细化。

但是，超声振动对于微成形的影响不能仅仅局限于此。由于不同材料具有不同的力学性能和物理特性，因此超声振动辅助微成形中的超声作用机制也会有所不同。

对于金属材料来说，超声振动可能会改变金属材料的流动速率。在塑性变形过程中，由于超声振动的作用，金属材料内部会产生微裂纹、微空洞等缺陷。这些缺陷会导致金属材料内部结构不均匀，从而改变金属材料内部的组织结构。

超声波的机械作用

超声波在塑性成形过程中的作用可分为两个阶段：

（1）超声振动引起的剪切变形，这是一种剪切流变，而剪切流动是在不发生流动变形的情况下，由微观尺度上的剪切应力引起的；（2）超声波振动引起的塑性应变，即超声波在材料内部传递时产生的应力松弛效应，是一种塑性应变。

由于剪切变形存在摩擦系数，因此，在超声振动辅助塑性成形过程中，材料在受到超声振动时会发生剪切流动，因此将其称为超声振动机械作用。

这种超声波机械作用也可分为两种：（1）在塑性成形过程中超声振动引起的剪切流变；（2）在成形过程中超声振动引起的拉伸流变。

由于剪切流动是一种流动变形，因此也可分为两种情况：（1）由于超声振动导致的拉伸流动；（2）由于剪切流动引起的拉伸流动。

由于剪切流动是一种非接触式流动变形，因此会产生表面效应和微观效应。表面效应主要是指金属材料在超声波振动作用下表面会出现塑性变形层，因此可以看到表面形貌发生改变；

而微观效应主要是指超声波振动导致金属材料内部产生应力松弛效应，从而使材料的微观组织结构发生变化。

根据超声波在塑性成形过程中引起的剪切流动是否为非接触式流动，可以分为两种情况：（1）超声振动引起的非接触式流动；（2）超声振动引起的接触式流动。

由于超声振动导致的拉伸流动和表面效应都可以认为是非接触式流动，因此可将其称为超声波机械作用，而超声波机械作用也是超声振动辅助塑性成形过程中最为重要的作用之一。

超声波的化学作用

超声波化学作用是指超声波在材料中产生的空化效应和化学反应效应。超声波空化作用主要是指空化气泡对材料表面、内部结构的破碎作用。空化气泡可通过快速冲击来破坏材料表面的大分子键，从而导致表面层的分解、破坏和溶解。

超声波空化作用主要分为两个方面：其一是超声波对材料表面的物理和化学作用，使表面产生微裂缝；其二是超声波对材料内部的物理和化学作用，使材料内部产生微裂纹。这种作用机制主要表现为以下几个方面：

（1）超声波空化作用后，金属表面的氧化膜会被破坏，形成致密的氧化膜。

这种氧化膜是由许多纳米级的超细微粒构成，在超声辐射下，这些纳米级微粒会产生共振吸收和反射作用，从而在金属表面形成一层致密的氧化膜。此外，超声波对氧化膜的破坏作用还可以导致材料内部产生微裂纹。

（2）超声波空化作用后，材料表面会产生很多微细孔隙，这些微细孔隙的形成也是由纳米级微粒产生共振吸收和反射所致。因此，这些微细孔隙不仅可以容纳微量液体分子进入材料内部，而且可以容纳水分子和气体分子进入材料内部。

（3）在超声空化作用下，金属材料表面会产生一些超细微粒。这种致密的氧化膜能够阻止水分和氧气进入材料内部，防止材料氧化和腐蚀。

这些微小气泡在高温高压下会发生爆破现象，从而使金属材料表面产生一些微裂纹。

超声波的热作用

热作用是超声波应用最多的领域之一，它与化学作用有很大不同，它并不会改变物质的化学结构，但它会引起物质结构的变化，从而影响其物理和力学性能。

热作用是一种将热能直接传递到材料内部的作用方式，它可引起材料内部结构的改变，从而导致材料力学性能发生变化。

热作用在材料变形过程中可分为两种：即机械力热效应和化学热效应。

机械力热效应主要包括：①对材料表面产生压应力；②对材料内部产生剪切应力；③在一定温度条件下，由超声波空化作用所产生的冲击波，会使材料内部发生塑性变形。

化学热效应主要包括：①在高温下，超声波的空化作用可使金属原子之间发生共振，使金属原子之间的键能降低，从而引起金属原子间的键断裂；②在高温下，超声波空化作用可使金属中的部分碳原子发生解离。

以上两种效应都会使材料变形过程中产生压应力或剪切应力，对于弹性模量较大的材料而言，在其塑性变形过程中很难获得足够的应变以补偿压应力所引起的应变损失。

此时，需要在材料中引入附加的剪切带或剪切滑移区域，以补偿由于弹性模量较大而造成的应变损失。

这是由于在弹性模量较大时，材料变形过程中的剪切变形占总变形量的比例很大，当存在机械力热效应时，热效应占总变形量的比例不会很大。

超声作用可导致材料中产生剪切变形区并引起材料内部结构变化从而导致材料力学性能发生变化。

超声振动对材料变形行为的影响

在超声振动辅助微成形中，由于超声波的空化作用，在其周围会形成一股声流，通过声波的作用，材料内部产生局部高温，从而引起材料内部结构的变化，包括微观组织结构的变化、力学性能的变化等。

另外，超声振动还可以改变材料内部的应力状态，从而对微成形中材料的变形行为产生影响。在超声振动辅助微成形中，由于超声振动的作用，材料内部的应力状态也会发生改变。

这是因为超声波在材料内部传播时会引起局部温度升高，而温度升高会导致材料内部发生相变、塑性变形和残余应力等变化。

此外，超声振动还可以改变材料内部缺陷分布状态和数量等。这是因为在超声振动作用下，材料内部缺陷会发生改变而使其分布状态和数量发生变化。

这是因为超声振动会使材料内部产生应力集中现象，而应力集中又会导致缺陷出现或者数量增加。所以当超声振动达到一定程度时，缺陷就会出现或增加。

除此之外，当超声振动作用时间较长时还可能产生“超声疲劳”现象。“超声疲劳”是指在材料经历一段时间的循环载荷后发生了疲劳破坏现象。

通常情况下，超声波辅助微成形中的超声振动主要是通过加热作用、剪切作用和弹性作用来实现的。

这是因为当温度升高时会导致金属原子活动变快而造成原子扩散速度变快；当温度升高到一定程度时会导致金属原子内应力增加而引起变形。

笔者观点

超声振动辅助微成形技术作为一种新的微成形技术，其理论与应用研究一直是国内外研究的热点和前沿，在我国具有广阔的应用前景。超声振动辅助微成形技术作为一种绿色制造技术，是制造业实现绿色制造、绿色发展的重要途径。

本文针对超声振动辅助微成形中的超声作用机制及其对材料变形行为的影响进行了综述，概述了超声振动的作用机制和作用效果，提出了超声振动辅助微成形中应重点研究的内容，并对该技术在我国制造业转型升级中发挥的作用进行了展望。

参考文献

1.张宗瑜：《材料微观组织控制技术》，北京：科学出版社，:。

2.李俊峰：《超声辅助微成形过程中的声发射研究及应用》。北京：科学出版社，:27。

3.杜庆林：《超声振动辅助微成形过程中的超声作用机制研究》，北京：科学出版社，:。

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