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工学博士学位论文
铜箔力学性能的尺寸效应及
微拉深成形研究
博士研究生:周健
导师:郭斌教授
申请学位:工学博士
学科:材料加工工程
所在单位:材料科学与工程学院
答辩日期:2010 年 10 月
授予学位单位:哈尔滨工业大学
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Classified Index:
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Dissertation for the Doctoral Degree in Engineering
RESEARCH ON SIZE EFFECTS OF
MECHANICAL PROPERTY AND MICRO DEEP
DRAWING OF COPPER FOIL
Candidate: Zhou Jian
Supervisor: Prof. Guo Bin
Academic Degree Applied for: Doctor of Engineering
Specialty: Material Processing Engineering
Affiliation: School of Materials Sci.&Eng.
Date of Defence: October, 2010
Degree-Conferring-Institution: Harbin Institute of Technology
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摘要
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
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哈尔滨工业大学工学博士学位论文
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