尺寸对H80箔回弹行为的影响外文翻译资料

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Rare Met.

https://doi.org/10.1007/s12598-018-1160-5

稀有金属

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尺寸对H80箔回弹行为的影响

马振武，曹子阳*，陆金斌，张元静，刘伟，甄尹

收到日期：2018年7月9日/修订日期：2018年8月27日/接受日期：2018年9月6日

中国有色金属学会和德国施普林格金属有限公司，2018年施普林格自然展的一部分

摘要

尺寸效应使得传统的弯曲理论在相似弯曲实验中分析H80箔的回弹行为时不可行。发现存在一定的临界厚度值，将箔回弹量的变化趋势划分为两个相反的部分。为了揭示尺寸对H80箔回弹行为影响的原因，采用硬度增量表征的方法描述了箔的变形分布。几何必要位错的增强效应与表面晶粒的弱化效应之间的竞争，决定了回弹量随箔片厚度的变化趋势。当被箔的厚度较大时，弱化效应主导了材料的行为，导致回弹量随被箔厚度的减小而减小。然而，当箔厚度较小时，强化效应主导了回弹趋势，导致回弹量的急剧增加。此外，随着晶粒与t的降低，单个晶粒非均匀性的影响增强，影响了变形分布。

关键字 箔弯曲; 弹回行为; 尺寸效果; 硬度增量特性描述

1. -W. Ma, Z.-Y. Cao*, J.-B. Lu, Y.-J. Zhang, W. Liu, Z. Yin 苏州科技大学机械工程学院，中国苏州215009

电子邮箱dukeczy@nuaa.edu.cn

Z.-Y. Cao, J.-B. Lu

中国苏州精密高效加工技术关键实验室，苏州215009，

1 介绍

随着无人机小型化和微型机械设备制造的爆炸式发展，对波纹片和集成电路(IC)针等各种弯曲部件的需求呈小型化和大规模生产的趋势，这给现代制造技术[1,2]带来了新的挑战。与LIGA（光刻、电偶成形、微成形）、微加工技术相比，箔弯曲具有高效、网成形[3–9]等综合性特点，是应用最广泛的技术。然而，随着弯曲零件几何尺寸的减小，箔的回弹行为包括回弹的数量和分散，对其几何尺寸有很强的依赖性，即尺寸效应现象[10–15]。由于尺寸效应，成熟的弯曲理论在分析箔的回弹行为时变得不可行。因此，应研究其尺寸对箔回弹行为影响的原因。为了解决这一问题，大量关于箔弯曲的实验和理论研究。然而,Li等人。[18]观察到了一个相反的实验结果那是回弹量随着黄铜箔厚度的减少而增加。他们提出，在箔弯曲过程中存在额外必要的几何位错来协调晶格曲率的变化，而几何必要的位错对箔[19–22]的回弹行为有增强作用。此外，在纯镍箔的弯曲试验中，Stouml;uml;和Evans[23]也发现，随着箔厚度的减小，回弹量具有“厚度更小，回弹更强”的材料行为。

从以上回顾可以看出，随着箔厚度的减小，箔弯曲的回弹行为有两种，即“厚度较小，回弹较弱”和“厚度较小，回弹较强”。然而，在目前大多数的理论和实验中，这两种反弹行为往往是分开研究的。事实上，在箔弯曲过程中，表面晶粒弱化和几何必要的位错强化同时存在。Diehl等人[24]首次提出这两个因素对箔的回弹行为有耦合效应，但他们只进行了现象学分析，没有进行深入的实验研究。关于回弹角散射的研究，Ma等[25]发现，回弹角的散射随被箔厚度的减少而增加，但效果不足，仅用有限元法进行解释。因此，在本文中，H80箔与广泛的厚度尺寸研究的弯曲形成实验开发基于相似的原理，然后硬度增量表征的方法来揭示尺寸的原因影响回弹箔的行为。

2 实验

选择纯度为99.85%、厚度为30~400um的H80箔作为研究材料。为了消除轧制硬化，获得所需的粒度参数，将H80箔在真空度为1.5 9 10-3Pa的真空炉中，在不同的温度和时间组合下进行再结晶和退火，然后对再结晶的H80箔进行镶嵌、抛光和蚀刻。然后，用光学显微镜(OM，NovelMR5000)观察重结晶的H80箔的微观结构，用横向法测定箔的平均晶粒径。选取粒径相似（*35um）的箔，研究厚度对箔回弹行为的影响。相关的退火条件及相应的情况参数见表1。

微观结构分析表明，轧制过程中产生的纤维晶粒形态出现，不同厚度箔之间的主要区别在于箔厚度方向上的晶粒数。以厚度为50和30lm的箔标本的典型金相显微图如图1所示。为了保证所有箔的变形条件相同，消除工艺参数的影响，基于相似性[8]原理设计了弯曲成形实验。所有与弯曲相关的参数，包括模具直径(Dd)、冲头直径(Dp)、冲头与模具之间的间隙(C)以及冲头的运动速度(v)，均根据比例因子(k)进行调整。比例因子(k)的值与金属箔的厚度成正比。将厚度为100lm的H80箔的比例因子(k)设为1，然后根据厚度与100lm之比得到箔的其他比例因子。所有样品的弯曲角度均为90.实验方案如表2所示。

为了保证各组实验参数配置的准确性，设计了如图2所示的箔弯曲成形装置。该弯曲装置被连接到一个带有连接器的通用材料测试机(MST)上。芯轴是一个光滑的不锈钢圆筒。芯轴直径、模具直径及冲床与模具间隙可根据实验要求改变。实验过程中采用张紧螺栓对心轴进行拉伸，支撑块保证了心轴的刚度。弯曲试样的长度和宽度分别为25毫米和10mm。每组6次试验数据平均，得到箔的弹量。弯曲实验结束后，用奥林巴busE-M1数码相机拍摄图3所示的箔试样，用Auto.CAD软件测量其角度，精度为0.01，如图4所示。回弹角的计算方法是用回弹后的箔箔的测量角减去弯曲角(90)。通过单轴拉伸试验测定了H80箔的力学性能。基于ASTM-E8标准对每组3次试验数据进行平均，得到H80箔的应力应变曲线。

采用显微硬度(HMAS-C1000SZA)，在0.1N载荷下保压10s。每个箔试样的试验点分布如表3所示。试验的参数设置如图5a所示，图5b显示了厚度为400nm(NovelMR5000)的箔中试验点分布的代表性示意图。硬度增量的计算方法是用弯曲硬度值减去箔的初始硬度。

表1 H80箔的退火条件及材料参数

a: L=t/d，厚度方向的粒数；=：NS，为表面粒数

图1

图1厚度为50lm和b为30lm的箔试样的OM图像

0 lm

表2 H80箔弯曲成形实验方案

图2

图2 箔弯曲成形实验装置t

图3

图3 弯曲后的代表性箔试样照片

图4

图4 用AutoCAD软件弯曲箔试样的角度测量

表3 显微硬度试验点的设置参数

图5

图5 a参数设置和b测试点分布示意图

3结果及讨论

3.1 H80箔的反弹行为

H80箔的回弹行为如图6所示，说明回弹量在不同的厚度间隔中有不同的变化趋势。当箔厚度大于100um时，回弹量随着箔厚度的减小而逐渐减小(从400um时的6.93°增加到200um时的6.65°。当厚度值为100um时，回弹量最小，为5.97°.但随着箔厚度的进一步减小，回弹量呈现相反的增加趋势。当箔片厚度减小到30um时，回弹量急剧增加到16.71°。此外，弹角的散射随箔厚度的减少而增大。这些结果表明，H80箔的回弹行为具有较强的尺寸效应。

金属箔的材料力学性能可以用表面晶粒理论[6–8]来解释。利用有限元模拟技术研究了箔箔的回弹行为是否也可以用表面晶粒理论来解释。如果预测的薄箔的回弹行为与流动应力随厚度的变化相一致，则可以用表面晶粒理论来解释；否则，还应考虑其他因素。采用基于CPE4R细胞类型的ABAQUS方法计算了不同厚度的H80箔的回弹量。计算中采用不同厚度箔的流动应力（图7）来描述材料的力学性能。图8比较了H80箔回弹量的计算值和实验值。用ABAQUS计算的H80箔回弹量随箔厚度的减小而单调减小。此外，当箔的厚度为400~200um时，回弹量的计算值与实验结果非常接近。当箔厚度从200um逐渐减少到100um时，计算得到的箔回弹量逐渐偏离实验结果。然而，随着箔厚度的进一步减小，H80箔回弹量的计算结果与实验结果存在显著偏差。

当被箔的厚度在400~200um范围内时出现的“厚度小、回弹弱”现象可以用表面颗粒的减弱效应来解释。表面晶粒理论认为，与内部晶粒相比，由于自由表面[26–28]的存

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