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铜箔力学性能的尺寸效应及微拉深成形研究

周健  
【摘要】:近年来,金属箔板在电子工业、微机电系统、医疗以及新能源领域中的应用日渐广泛。塑性微成形技术以其高效率、高质量和低成本等优点成为微型零件批量化生产的首选。然而,金属箔板的力学性能和断裂行为都与宏观尺寸的板材有着很大的区别,目前这方面的研究工作不多,这制约了金属箔板微成形技术的发展。因此,研究金属箔板在塑性变形过程中产生的尺寸效应十分必要。 本文以纯铜箔和黄铜箔为实验材料,通过对不同厚度和晶粒尺寸的铜箔试样进行单向拉伸实验,研究箔板的屈服强度、抗拉强度和延伸率等参数的尺寸效应。为了提高拉伸试验的应变测量精度,研制了基于图像测量技术的非接触式视频引伸计,建立了可靠的适用于金属箔板的拉伸实验方法。 拉伸实验结果表明:试样宽度对铜箔试样力学性能的影响不大,屈服强度的大小同时受到厚度和晶粒尺寸的影响,但与其没有明显的比例关系;其变化规律既不同于金属薄板的“越小越弱”,也与金属薄膜的“越小越强”有区别,表现出复杂的尺寸效应。从位错理论出发分析了板材屈服强度尺寸效应的机理:表面层晶粒的流动应力的下降造成了屈服强度“越小越弱”的现象,而“越小越强”则是应变梯度强化作用的体现,其影响随着厚度的减小快速增强。由于箔板的厚度介于薄板和薄膜之间,因此屈服强度对厚度的变化很敏感,其变化规律也表现为两者之间的“过渡”。从实验结果来看,两种铜箔的实验规律几乎一致:厚度约为特征长度的10倍时是个临界点,对于铜箔,若厚度大于40μm,屈服强度随厚度的变化主要表现为“越小越弱”,而小于40μm则会表现为“越小越强”。综合表面层晶粒和应变梯度的影响,以Hall-Petch公式为基础建立了包含厚度和表层晶粒比例的屈服强度关系式,此关系式可以较好地描述箔板屈服强度的尺寸效应。 铜箔的应变硬化指数与晶粒尺寸和厚度成正比。抗拉强度与厚度成正比,与晶粒尺寸成反比,但在厚度晶粒尺寸比很小时与厚度成正比,而在t/d很大时成反比关系。延伸率随着晶粒尺寸的增长而增大,且随着厚度的减小急剧下降,这完全不同于金属薄板的变化规律。采用球体孔洞模型和基于应变梯度的本构方程对孔洞的长大率进行了计算,结果表明应变梯度对孔洞的长大有明显的抑制作用。拉伸试样的断口分析揭示了铜箔延伸率的尺寸效应机理:在应变梯度的影响下,厚度小于40μm的铜箔的断裂机制是沿晶断裂,因此延伸率较低;而厚度较大的铜箔的断裂机制是韧窝-微孔聚集型断裂,变形中产生的孔洞也延缓了断裂的发生,使得延伸率较高。 使用有限元软件DYNAFORM进行了不同条件的微拉深成形模拟。设计加工了多套微拉深模具,采用不同条件的坯料进行了微拉深成形实验。结果表明:随着拉深件直径的减小,无量纲拉深力和极限拉深比都随之降低,但与此同时,摩擦力的影响却逐渐增大,使直径1mm拉深件的极限拉深比在坯料晶粒尺寸较大时出现了与延伸率成反比的现象;微拉深件的表面质量主要取决于晶粒尺寸。微拉深成形的尺寸效应主要是由铜箔力学性能的改变造成的,摩擦力对其也有重要的影响。最后,采用落料拉深复合模,成形出了直径1mm到8mm的,表面质量良好的拉深件。


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