香港理工大学顶刊综述：多尺度材料加工和制造中的尺寸效应！

导读：尺寸效应存在于许多领域，是由材料、结构或系统参数值的变化引起的，单独或统称为尺寸效应因子。在材料的多尺度（宏观、细观和微观尺度）加工和制造过程中，尺寸效应会引发各种依赖于尺度的行为、现象和性能。此外，多尺度加工中的零件会表现出质量和性能的分散性。本文基于多尺度切削和塑性加工，对尺寸效应及其表现形式进行了综述和分析，并阐述了多尺度制造研究的现状和未来可能的研究方向，并强调了需要解决的关键问题和需要研究的未知因素。本文针对多尺度材料加工和制造中存在的尺寸效应阐述了新的理解，总结了尺寸效应引起的瓶颈问题，以及如何解决这些问题以实现高效的材料加工和制造。

香港理工大学傅铭旺教授和山东大学王继来博士从多尺度综述了材料加工制造中的尺寸效应及影响尺寸效应的内在和外在因素，讨论了尺寸效应的来源、表现形式和分类；总结了尺寸效应对多尺度加工过程的行为以及零件的性能和质量的影响。该综述论文以题为“Size effects in multi-scale materials processing and manufacturing”发表在制造领域顶刊《International Journal of Machine Tools and Manufacture》（2021年影响因子7.88，中科院一区）。

论文链接：

https://doi.org/10.1016/j.ijmachtools.2021.103755

尺寸效应在许多物理领域和工程领域中无处不在，并且是由各种影响因素的值的变化引起的。尺寸效应产生的物理行为和现象是尺度相关的：在中尺度、微米或纳米尺度域中产生的行为与在宏观或超尺度域中产生的行为不同。影响零件或结构的尺寸效应的因素可以分为内在因素和外在因素；外在尺寸效应因素是指零件和结构的外在特性，如零件的几何尺寸、局部特征尺寸、宽高比或材料的表面粗糙度大小等。内在因素是制造零件和结构的材料的微观结构特性，例如材料的密度和微观结构晶粒尺寸；析出物和第二相粒子的尺寸，以及这些颗粒之间的平均距离；孔隙和空隙的大小，以及它们之间的平均距离或体积分数；位错的平均自由程等因素。尺寸效应意味着当材料或结构的外在尺寸缩小到微米或纳米尺度时，材料变形的经典塑性理论可能不成立。解决尺寸效应的关键挑战之一是确立在传统宏观领域的数据、信息和知识是否可以直接适用于小尺度领域，例如细观、微观或纳米尺度领域。为不同规模的领域建立特定的数据、信息和知识系统是很难，甚至是不可能的，如果这些理论可以在领域之间转换，则非常有用。因此，我们迫切需要对尺寸效应及其在不同尺度上的表现、行为和现象有更深入的了解。

图1.尺寸效应引起的多尺度加工中的工艺行为、现象和性能以及不同加工方式在不同领域的应用。

图2.尺寸效应的发展过程，从1维到3维。

随着小型化零件、组件、结构和系统的需求不断增加，迫切需要开发用于制造多尺度产品的新型微制造工艺。现有的新兴的微制造技术一种是基于光刻的微制造，如光刻，另一种是基于机械的微制造，如微机械加工、微注塑成型、非传统的微加工和微成形。微机械加工和基于变形的细观和微成形工艺目前应用最广泛的微制造工艺，但是加工工艺尚未成熟。微机械加工不仅仅是传统宏观加工的缩小规模，尺寸效应的存在会改变整个加工范式。在微机械加工中，外在尺寸效应因素与材料、刀具和整个加工系统的外在因素密切相关，包括切削刃半径、负前角和后刀面的刀具与工件接触。内在尺寸效应因素与材料的微观结构特征有关，例如晶粒尺寸、平均自由位错路径以及第二相颗粒或沉淀物之间的平均距离等于因素。这些外在和内在的尺寸效应因素共同作用，影响着零件的工艺行为和性能。在基于变形的微制造过程中，材料在微尺度变形(即微成形)形成微零件的过程中会出现不同的尺寸效应表现。这些不同的表现是由材料微观结构、接触表面形貌、工作材料几何尺度等尺寸效应因子值的变化引起的。这导致了这些材料的变形行为和工艺性能的巨大差异，以及制造的微零件的质量和性能的分散性。因此研究尺寸效应如何影响微制造过程中材料的行为和性能，以及制造的介观或微尺度零件的质量和性能，具有重要意义。

影响零件的尺寸效应的可以分为内在因素和外在因素。外在因素是指零件和结构的外在特性，如零件的几何尺寸、局部特征尺寸、宽高比或材料的表面粗糙度大小等因素；内在因素是制造零件和结构的材料的微观结构特性，例如材料的密度和微观结构晶粒尺寸；析出物和第二相粒子的尺寸，以及这些颗粒之间的平均距离；孔隙和空隙的大小，以及它们之间的平均距离或体积分数；位错的平均自由程等因素。在外在因素和内在因素的共同作用下影响材料的性能。

图3.尺寸效应及其外在因素和内在因素。

基于晶粒尺寸和几何尺寸变化引起的材料强度变化，尺寸效应表现形式有“the smaller, the stronger’”(SS)或“the smaller, the weaker”(SW)的特征，以及在不同条件下的相互转换(SS⇔SW)。尺寸效应的存在会一起屈服应力、流动应力、应变硬化和变形下材料的回弹等行为。这些行为和现象会影响材料加工行为、性能和制造机制，除了制造的微零件的质量和性能之外，这可能导致分散和不稳定的呈现.

图4.拉伸变形中的SS效应

图5. 压缩变形中的SS效应

图6. 扭转和弯曲变形中的SS效应

图7. 拉伸变形中的SW效应

图8. 压缩变形中的SW效应

图9. SW效应和SS效应之间的转换

微机械加工中尺寸效应的存在会改变整个加工范式，影响着零件的加工工艺和性能。尺寸效应与基础切削力学直接相关，切削力、比切削能、切屑形成机制、加工表面生成、毛刺形成和刀具磨损机制等方面都存在尺寸效应。机床、刀具和切削区域的尺寸缩放影响加工动力学，从而从根本上影响切削力学。金属零件制造过程中出现的尺寸效应是由于工件、工具和工艺参数的相关长度尺寸减小造成的。

图10. 微机械加工中的尺寸效应

在材料的微成形过程中，微观结构、接触表面形貌、工作材料几何尺度等尺寸效应因素影响零件的形状、尺寸精度、表面粗糙度和缺陷形成等方面。了解尺寸效应对工艺行为和性能影响的原理，其最终目标是能够得到所需形状和尺寸的零件，并具有可控的高尺寸精度和表面粗糙度，且很少或没有缺陷。对于高效的多尺度材料加工，了解尺寸效应对微型零件制造过程中工艺行为和性能的分散性和不确定性以及对零件的质量和性能的影响至关重要。

图11. 尺寸效应对微型法兰镦粗中的断裂变形行为的影响

图12. 尺寸效应导致的不均匀变形和变形不确定性

总而言之，本文全面的综述了尺寸效应的分类、影响因素，以及尺寸效应对微机械加工和微成形的影响。必须建立对尺寸效应更深入的科学理解，这将有利于开发有效的方法来解决尺寸效应产生的关键问题，促进多尺度材料加工和制造的进步。