随着工业产品微型化的趋势,微型制造领域获得了越来越多的关注。微成形技术是微型制造领域最有前景的方法之一,但由于“尺寸效应”的存在,基于宏观连续介质力学的塑性成形理论和传统的塑性成形工艺与设备已经不能满足微成形的需要,微成形在实际应用中存在着变形行为改变和局部缺陷严重等问题。超声振动辅助微成形具有降低成形载荷、减少界面摩擦、提高材料成形性能和提升成形零件质量等优势,可有效解决传统微成形面临的问题,近年来成为微成形领域的研究热点。但迄今为止,现有的微塑性成形理论体系尚不成熟,超声振动对材料成形的作用机制仍不明确,超声振动引入微成形后,超声振动辅助微成形过程中材料成形性能和变形规律等愈加复杂。尤其是超声振动参量对材料流动变形规律的影响、超声振动与尺寸效应的耦合作用、材料本构关系和理论模型不能准确反映超声效应的作用机制等问题,成为制约超声振动辅助微成形技术发展和应用的瓶颈。为此,本文设计并建立了超声振动辅助微成形实验系统,通过T2纯铜材料的微镦粗、微挤压和微压印等典型金属塑性成形实验,系统研究了微成形中超声体积效应和表面效应对材料变形行为的影响规律,分析了尺寸效应、体积效应和表面效应的耦合作用,并利用有限元和分子动力学方法分别研究了超声体积效应和表面效应的宏观作用机制和微观作用机理。论文的主要工作及成果如下:为解决传统“表面层模型”中存在的表面层厚度过小、表面层应力和内部应力不连续等与现实不符的问题,本文基于微镦粗、微硬度实验结果和塑性成形理论对表面层模型进行了修正,给出了表面层厚度和各部分应力的计算方法,进而提出了基于晶粒尺寸的表面层厚度模型。通过与实验结果比较,证明了所提出的修正表面层模型和表面层厚度模型能够准确地预测材料在微尺度下的变形行为。为系统研究超声振动对微成形中材料变形行为的影响规律,本文基于声学理论和模态分析方法,设计并制作了超声振动辅助微成形实验系统,利用该实验系统进行了 T2纯铜材料的微镦粗和微双杯挤压实验。实验结果表明,超声体积效应和表面效应与尺寸效应均存在明显的耦合作用,试样尺寸越小,超声作用效果越显著。基于材料硬化模型和微镦粗实验结果,构建了 T2纯铜材料在尺寸效应和体积效应耦合作用下的本构模型。研究还发现,之前在双杯挤压实验中有学者得出超声振动使界面摩擦增大的结论,是当超声振动使上、下冲头的摩擦状况出现差异时,继续利用传统方法标定摩擦因子而得到的“假象”。针对目前有限元模拟无法准确反映超声宏观作用机制的问题,本文提出了在有限元模型中利用材料流动应力下降和摩擦系数降低分别表征超声体积效应和表面效应的新方法。利用该方法模拟了超声振动辅助镦粗和U型槽挤压过程,量化分析了成形过程中的超声体积效应和表面效应。模拟结果表明,该方法能准确反映出超声振动作用下的材料成形行为,在镦粗和U型槽挤压过程中,超声体积效应、表面效应及其对成形过程的影响均存在显著差异。针对材料成形中超声振动的微观作用机理缺乏理论支撑的问题,本文采用分子动力学方法,模拟和分析了超声作用下单晶铜的微拉伸、微压缩和相对滑动过程。模拟结果表明,超声振动提高了内部原子的振动能量,促进了位错的生成、运动和湮灭等动态演化过程,是超声体积效应的主要作用机理;超声振动为表面原子的跃迁提供了额外的能量,使其更容易突破能量垫垒,减少了粘滑摩擦行为,是超声表面效应的主要作用机理。基于上述研究结果,将超声振动应用于微圆柱压印工艺,显著提高了压印成形效果,微圆柱压印高度最大增长了500%。超声作用时间和最大成形载荷是影响微圆柱压印高度的主要因素。微圆柱压印高度随着超声作用时间的增加而增大,但是当超声作用时间超过10 s后,材料达到超声作用下的成形极限,继续延长超声作用时间不再有明显作用。此外,与模具固有频率更接近的超声频率以及更大的超声振幅也会显著提高超声振动的作用效果。