H62黄铜薄板尺寸效应及微拉深成形性能的研究

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3.0 陈辉 2024-11-19 18 4 9.97MB 65 页 15积分

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摘要

随着微机电系统(MEMS)和微电子工业的发展，微型产品得到了飞速的发展

和广泛的应用。产品微型化已成为一种趋势，已成为精密仪器、数码产品、医疗器

械以及航空航天等领域的研究热点，是人们认识和把握微观世界的高新技术之一

MEMS技术的发展对微型构件的微成形技术带来挑战，然而微细塑性成形技术并

不是传统塑性成形工艺的简单等比例缩小，而是一个崭新的研究领域。而由于试

件尺寸减小所引起的尺寸效应现象亦不容忽视。尺寸效应使得材料的流动应力、各

向异性、延展性和材料的成形极限等都发生了变化，同时也影响着金属板材的成

形性能。

本文根据微细塑性成形技术特点及发展现状，采用微拉伸试验与数值模拟技

术相结合的方法，对H62铜合金的材料的尺寸效应和工艺条件尺寸效应进行了研

究：

1）特征尺寸效应和晶粒尺寸效应，以及尺寸效应与塑性变形、强度和延展性

的关系；尺寸效应现象可归因于厚度和晶粒尺寸的影响，尤其是板厚和晶粒尺寸

各自对材料力学性能的影响作用，并最终通过关系式表达出来。通过拉伸试验，

获得了材料的各力学性能参数，验证了厚度和晶粒尺寸效应的存在及其影响。所

得结论如下：a）随板料的晶粒尺寸的增加晶粒尺度不均匀性增加，材料的屈服

强度在一定的晶粒尺寸范围内随成线性变化，且遵守Hall-Petch关系式；b）

随着的减小，相同应变下，流动应力呈下降的趋势；c）延伸率随的减

小而下降，材料的硬化指数随着晶粒尺寸的增大而增大，随着板料厚度的增大而

增大；d）以拉伸试验数据为基础，结合Swift模型和表面层理论，建立一个流动

应力与晶粒度与板厚比值之间的新的微细板料的弹塑性本构模型。

2）尺寸效应对材料在微尺度下的变形机理的影响作用，通过观察拉伸试样

的断口形貌来进一步理解和观察尺寸效应现象。通过观察断口形貌发现，拉伸试

样的断裂方式为韧窝微孔聚合型断裂。板厚为0.5mm、1mm的试样断口处韧窝多而

浅且为抛物线形，材料韧性好，塑性强；板厚0.1mm、0.2mm的试样断口韧窝深而

大，材料基体强化能力强，硬化指数n值较大，但塑性差。

3）以微拉深工艺为例，研究了H62的成形性能，探讨了尺寸效应现象对微拉

深工艺的影响。以微拉伸试验的参数为依据，以微拉深成形为例，建立有限元模

型，对成形过程进行有限元模拟，研究板料厚度、晶粒度对材料成形性能的影响。

关键词：尺寸效应断口形貌屈服强度硬化指数有限元分析

ABSTRACT

Metallic interconnects and circuitry have been experiencing excessive deformation

beyond their elastic limits in many applications, ranging from micro electromechanical

systems (MEMS) to flexible electronics. These broad applications are creating needs to

understand the extent of strength and ductility of metallic sheet at scales approaching

the micron and sub micron range. In manufacturing of metallic components, the size of

the part plays an important role for the process behavior. This is due to so called size

effects, which lead to changes in the process behavior even if the relationship between

the main geometrical features is kept constant. The aim of this paper is to give a

systematic review on such effects and their potential use or remedy. First, the typology

of size effects will be explained followed by a description of size effects on strength and

harden exponent. The last sections describe size effects on formability and forming

processes

Based on plastic micro-forming technology characteristics and development,

combining micro tensile test and numerical simulation technology with the H62 brass

alloy material to study size effects: 1) feature size effect and grain size effect, and size

effects and plastic deformation, strength and ductility relations; 2) the effects of grain

sizes and thicknesses, especially respective effects of thickness and grain size about

material mechanical properties, and ultimately express this relationship by constitutive

equation; 3) deformation mechanism of tensile specimens because of size effects on the

H62 material in micro scale by observing the specimen fracture appearance to further

understand and observe size effect phenomena, especially the influence of material

strength such as dislocation defects; 4) study H62 brass forming performance during

plastic forming process, micro deep drawing technology as an example, to discuss the

influence on micro deep drawing technology of size effects.

In order to investigate the effect of grain size and thicknesses to material

mechanical properties in the micro-scale, experiments are achieved by tensile test on

H62 brass sheet metal with different grain sizes and thicknesses, then, a parameter

(the ratio of sheet thickness to material grain size) is introduced to characterize

size effects. The conclusions of experiments are as follows: 1) the non-uniformity of

grain distribution increases as grain size increasing, and the yield strength is linear with

within some grain size scales, the relationship between yield strength and is

still in agreement with Hall-petch expression; 2) the flow stress and elongation decrease

as decreasing; 3)The hardening exponent of sheet metal increases with increasing of

sheet thickness and increases as grain size increases. By the fracture appearance

observation, all specimens show dimple fracture, the dimples of 0.5mm and 1mm sheets

are many and shallow, the shape is parabolic which shows its good toughness and

plasticity; The dimples of 0.1mm and 0.2mm sheets are big and deep, the hardening

exponents are bigger but the elongations are lower. In order to study the formability of

H62, taking the micro deep drawing technology as an example, a finite element model

for forming process is established to discuss the influence of size effects phenomenon to

micro deep drawing technology and forming performance. Through the finite element

simulation, we study the effects of sheet thickness and grain size on material forming

performance influence.

Key Word：Size Effect, Fracture Appearance, Hardening Exponent,

Finite-element Analysis

目录
中文摘要
ABSTRACT
第一章 绪 论..................................................................................................................1
§1.1 课题来源及意义................................................................................................1
§1.2 微细成形技术的研究现状综述........................................................................2
§1.3 微细成形技术的尺寸效应................................................................................6
§1.3.1 国外尺寸效应的研究现状......................................................................7
§1.3.2 国内尺寸效应的研究现状......................................................................9
§1.4 论文框架............................................................................................................9
§1.4.1 本文研究主要目标..................................................................................9
§1.4.2 本文研究主要内容..................................................................................9
第二章 微拉伸过程中尺寸效应的研究.....................................................................11
§2.1 单向微拉伸试验..............................................................................................11
§2.1.1 试验材料选择与试样制备....................................................................11
§2.1.2 试验设备................................................................................................12
§2.1.3 试验方案设计........................................................................................12
§2.1.4 试验结果处理、分析与讨论................................................................13
§2.2 断口形貌的电镜扫描试验..............................................................................22
§2.2.1 金属材料断裂机理概述........................................................................22
§2.2.2 断口形貌的电镜扫描试验方案............................................................23
§2.3 本章小结..........................................................................................................27
第三章 基于尺寸效应的微成形力学本构模型的建立.............................................29
§3.1 尺寸效应的分类..............................................................................................29
§3.2 表面层模型......................................................................................................31
§3.3 Swift 模型.........................................................................................................32
§3.4 本构模型的建立..............................................................................................33
§3.5 本章小结..........................................................................................................36
第4章 微细塑性成形的有限元模拟..........................................................................37
§4.1 有限元软件简介..............................................................................................37
§4.1.1 隐式有限元和显式有限元....................................................................37
§4.1.2 实体单元与壳单元概述........................................................................39
§4.2 单向拉伸试验的数值模拟..............................................................................41
§4.2.1 有限元模型建立....................................................................................42
§4.2.2 有限元模拟结果分析............................................................................42
§4.3 微拉深试验的数值模拟..................................................................................44
§4.3.1 有限元模拟模型建立............................................................................45
§4.3.2 有限元模拟结果分析............................................................................46
4

§4.4 本章小结..........................................................................................................52

第五章结论与展望.....................................................................................................54

§5.1 结论..................................................................................................................54

§5.2 不足之处及展望..............................................................................................55

参考文献......................................................................................................................56

第一章绪论

§1.1 课题来源及意义

上世纪80年代后期，作为微电子行业重要技术的集成电路(IC)的出现，以及

其在现代计算机、通讯、银行金融服务、交通、制造系统、航空航天等部门的核心作

用，使得人们对微型元器件重视起来。除此之外，由于具有节省空间、节约能源、

易于重组、便携轻巧、生产效率高等优点，微/纳机电系统(Micro/Nano Electro

Mechanical System，MEMS)和光电效应系统也得到了快速的发展和应用，逐渐成

为精密仪器、数码产品、医疗器械以及航空航天等领域的研究热点，许多国家都将

纳米技术和微型机械系统列为21世纪的关键技术之首[1]。MEMS技术的发展对微型

构件的微加工技术带来挑战，微细加工技术[2]是基于现代科学的一门综合性技术。

由于微机械广泛的应用前景及巨大的科研潜力，因此关于微细产品的研制及围绕

微细加工所进行的科学研究，一直是生物学、医学、光学、力学、材料科学以及航空

航天、机械工程和电子工程等领域的热门研究课题，世界工业发达国家如美国、日

本及欧洲各国投入了大量资金资助这项研究[3]。同时，以微/纳米技术为基础，采

用现代实验方法和手段的微塑性成形技术逐渐成为塑性加工学科的研究热点之一

[4]。如图1-1所示，微塑性成形技术是以塑性加工的方式来生产尺寸处于亚毫米量

级的零件或结构件的工艺技术，具有无切削、高效率和低成本等优点。因此，它是

微型零部件规模化生产的关键技术之一[5]。

微加工技术的发展源自产品微型化的需求，不仅是用户希望随身用的多功能

电子器件小型化和功能集成化，而且技术上也有类似要求，例如医疗器械、传感

器及电子器械的发展要求制造出微小的零件。随着微型化趋势的发展，微型零件

产品的加工在整个加工制造业中的地位越来越重要。从移动电话到计算机产品，

从微型数码设备到医药卫生等各个方面，微型零件具有广阔的应用空间。目前，

微型螺栓、连杆以及弹簧等微型零件已广泛应用在手机、笔记本电脑、微型导航系

统、医疗器械以及微型传感器等。巨大的潜在市场亦极大地推动了微细加工技术的

发展，先后出现了超精密机械加工、深反应离子蚀刻、LIGA及准LIGA技术等技术

而微细成形工艺(冲裁、弯曲、拉延、拉深、超塑性挤压、起伏、压印等)则具有大批量、

高效率、高精度、高密集、短周期、低成本等一些特有的优点[6]。

然而微细塑性成形技术并不是传统塑性成形工艺的简单等比例缩小，而是一

个崭新的研究领域。由于微塑性成形是在微尺度范围内发生的，塑性变形区的大

小接近晶粒尺寸，因而就不能忽视材料的微观组织结构对材料微塑性成形性能的

H62 黄铜薄板尺寸效应及微拉深成形性能的研究

影响，建立在宏观连续介质力学基础上的相关理论已不能对微塑性成形中出现的

现象如尺寸效应等给予很好的解释。因而，开展微塑性成形技术和成形机理方面

的研究就显得尤为迫切。面向微细制造的微成形技术的研究势在必行，如何更加

深入地研究微成形领域中的关键技术就成为摆在科技工作者面前的难题。

图1-1 微细成形研究范围

§1.2 微细成形技术的研究现状综述

微成形技术作为一种新的加工技术，一般地，要求生产加工成形的零件或结

构至少在两维尺度上在亚毫米的范围内。微细塑性成形的主要研究领域包括材料、

工艺、模具、设备等几个方面，如图1-2所示，下面将根据材料、工艺、模具、设备和

数值模拟五个方面简要介绍国内外微细塑性成形研究现状。

1）成形材料方面

对于大多数的金属材料，其微结构被认为是微晶的排布（不同相的分布）以

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摘要：

摘要随着微机电系统(MEMS)和微电子工业的发展，微型产品得到了飞速的发展和广泛的应用。产品微型化已成为一种趋势，已成为精密仪器、数码产品、医疗器械以及航空航天等领域的研究热点，是人们认识和把握微观世界的高新技术之一MEMS技术的发展对微型构件的微成形技术带来挑战，然而微细塑性成形技术并不是传统塑性成形工艺的简单等比例缩小，而是一个崭新的研究领域。而由于试件尺寸减小所引起的尺寸效应现象亦不容忽视。尺寸效应使得材料的流动应力、各向异性、延展性和材料的成形极限等都发生了变化，同时也影响着金属板材的成形性能。本文根据微细塑性成形技术特点及发展现状，采用微拉伸试验与数值模拟技术相结合的方法，对H62铜...

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