銅箔力學性能的尺寸效應及微拉深成形研究.pdf

1、近年來，金屬箔板在電子工業(yè)、微機電系統(tǒng)、醫(yī)療以及新能源領域中的應用日漸廣泛。塑性微成形技術以其高效率、高質量和低成本等優(yōu)點成為微型零件批量化生產的首選。然而，金屬箔板的力學性能和斷裂行為都與宏觀尺寸的板材有著很大的區(qū)別，目前這方面的研究工作不多，這制約了金屬箔板微成形技術的發(fā)展。因此，研究金屬箔板在塑性變形過程中產生的尺寸效應十分必要。
　　本文以純銅箔和黃銅箔為實驗材料，通過對不同厚度和晶粒尺寸的銅箔試樣進行單向拉伸實驗，研究箔

2、板的屈服強度、抗拉強度和延伸率等參數(shù)的尺寸效應。為了提高拉伸試驗的應變測量精度，研制了基于圖像測量技術的非接觸式視頻引伸計，建立了可靠的適用于金屬箔板的拉伸實驗方法。
　　拉伸實驗結果表明：試樣寬度對銅箔試樣力學性能的影響不大，屈服強度的大小同時受到厚度和晶粒尺寸的影響，但與其沒有明顯的比例關系；其變化規(guī)律既不同于金屬薄板的“越小越弱”，也與金屬薄膜的“越小越強”有區(qū)別，表現(xiàn)出復雜的尺寸效應。從位錯理論出發(fā)分析了板材屈服強度尺寸效

3、應的機理：表面層晶粒的流動應力的下降造成了屈服強度“越小越弱”的現(xiàn)象，而“越小越強”則是應變梯度強化作用的體現(xiàn)，其影響隨著厚度的減小快速增強。由于箔板的厚度介于薄板和薄膜之間，因此屈服強度對厚度的變化很敏感，其變化規(guī)律也表現(xiàn)為兩者之間的“過渡”。從實驗結果來看，兩種銅箔的實驗規(guī)律幾乎一致：厚度約為特征長度的10倍時是個臨界點，對于銅箔，若厚度大于40μm，屈服強度隨厚度的變化主要表現(xiàn)為“越小越弱”，而小于40μm則會表現(xiàn)為“越小越強”。

4、綜合表面層晶粒和應變梯度的影響，以Hall-Petch公式為基礎建立了包含厚度和表層晶粒比例的屈服強度關系式，此關系式可以較好地描述箔板屈服強度的尺寸效應。
　　銅箔的應變硬化指數(shù)與晶粒尺寸和厚度成正比。抗拉強度與厚度成正比，與晶粒尺寸成反比，但在厚度晶粒尺寸比很小時與厚度成正比，而在 t/d很大時成反比關系。延伸率隨著晶粒尺寸的增長而增大，且隨著厚度的減小急劇下降，這完全不同于金屬薄板的變化規(guī)律。采用球體孔洞模型和基于應變梯度的

5、本構方程對孔洞的長大率進行了計算，結果表明應變梯度對孔洞的長大有明顯的抑制作用。拉伸試樣的斷口分析揭示了銅箔延伸率的尺寸效應機理：在應變梯度的影響下，厚度小于40μm的銅箔的斷裂機制是沿晶斷裂，因此延伸率較低；而厚度較大的銅箔的斷裂機制是韌窩-微孔聚集型斷裂，變形中產生的孔洞也延緩了斷裂的發(fā)生，使得延伸率較高。
　　使用有限元軟件DYNAFORM進行了不同條件的微拉深成形模擬。設計加工了多套微拉深模具，采用不同條件的坯料進行了微拉