銅箔力學(xué)性能的尺寸效應(yīng)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(jī)電系統(tǒng)、醫(yī)療以及新能源領(lǐng)域中的應(yīng)用日漸廣泛。塑性微成形技術(shù)以其高效率、高質(zhì)量和低成本等優(yōu)點(diǎn)成為微型零件批量化生產(chǎn)的首選。然而，金屬箔板的力學(xué)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(shù)的發(fā)展。因此，研究金屬箔板在塑性變形過程中產(chǎn)生的尺寸效應(yīng)十分必要。
　　本文以純銅箔和黃銅箔為實(shí)驗(yàn)材料，通過對(duì)不同厚度和晶粒尺寸的銅箔試樣進(jìn)行單向拉伸實(shí)驗(yàn)，研究箔

2、板的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和延伸率等參數(shù)的尺寸效應(yīng)。為了提高拉伸試驗(yàn)的應(yīng)變測(cè)量精度，研制了基于圖像測(cè)量技術(shù)的非接觸式視頻引伸計(jì)，建立了可靠的適用于金屬箔板的拉伸實(shí)驗(yàn)方法。
　　拉伸實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：試樣寬度對(duì)銅箔試樣力學(xué)性能的影響不大，屈服強(qiáng)度的大小同時(shí)受到厚度和晶粒尺寸的影響，但與其沒有明顯的比例關(guān)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(qiáng)”有區(qū)別，表現(xiàn)出復(fù)雜的尺寸效應(yīng)。從位錯(cuò)理論出發(fā)分析了板材屈服強(qiáng)度尺寸效

3、應(yīng)的機(jī)理：表面層晶粒的流動(dòng)應(yīng)力的下降造成了屈服強(qiáng)度“越小越弱”的現(xiàn)象，而“越小越強(qiáng)”則是應(yīng)變梯度強(qiáng)化作用的體現(xiàn)，其影響隨著厚度的減小快速增強(qiáng)。由于箔板的厚度介于薄板和薄膜之間，因此屈服強(qiáng)度對(duì)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(shí)驗(yàn)結(jié)果來看，兩種銅箔的實(shí)驗(yàn)規(guī)律幾乎一致：厚度約為特征長(zhǎng)度的10倍時(shí)是個(gè)臨界點(diǎn)，對(duì)于銅箔，若厚度大于40μm，屈服強(qiáng)度隨厚度的變化主要表現(xiàn)為“越小越弱”，而小于40μm則會(huì)表現(xiàn)為“越小越強(qiáng)”。

4、綜合表面層晶粒和應(yīng)變梯度的影響，以Hall-Petch公式為基礎(chǔ)建立了包含厚度和表層晶粒比例的屈服強(qiáng)度關(guān)系式，此關(guān)系式可以較好地描述箔板屈服強(qiáng)度的尺寸效應(yīng)。
　　銅箔的應(yīng)變硬化指數(shù)與晶粒尺寸和厚度成正比?？估瓘?qiáng)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(shí)與厚度成正比，而在 t/d很大時(shí)成反比關(guān)系。延伸率隨著晶粒尺寸的增長(zhǎng)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(yīng)變梯度的

5、本構(gòu)方程對(duì)孔洞的長(zhǎng)大率進(jìn)行了計(jì)算，結(jié)果表明應(yīng)變梯度對(duì)孔洞的長(zhǎng)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(yīng)機(jī)理：在應(yīng)變梯度的影響下，厚度小于40μm的銅箔的斷裂機(jī)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(jī)制是韌窩-微孔聚集型斷裂，變形中產(chǎn)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(jìn)行了不同條件的微拉深成形模擬。設(shè)計(jì)加工了多套微拉深模具，采用不同條件的坯料進(jìn)行了微拉