《铜/镍复层箔塑性微成形理论与技术》系统阐述铜/镍复层箔塑性微成形理论与技术的相关研究内容，介绍塑性微成形技术的研究现状与背景意义、铜/镍复层箔微拉伸流动应力及断裂行为尺度效应、软模微弯尺度效应、介观成形极限尺度效应、微流道/双极板软模微成形有限元模拟与工艺实践研究。《铜/镍复层箔塑性微成形理论与技术》遵循理论与技术相结合，系统性、实用性与先进性相统一的原则，注重科学问题的阐述与学术表达，循序渐进、逐层深入、深入浅出、图文并茂、通俗易懂，以提高发现问题、分析问题、解决问题的能力为目的，在内容上尽量照顾到各种类型的读者需要，便于帮助读者理清铜/镍复层箔塑性微成形理论与技术的知识脉络体系。

第1章 绪论
　　1.1 研究背景
　　微系统是一个包含微机电系统(MEMS)器件，面向完成特定工程任务而设计的工程系统[1]。微系统技术(MST)研究尺度处于微/纳米尺度，属于多技术和多学科交叉的前沿研究领域。正如美国北卡罗来纳州科研三角园主任克伦？马卡斯所说：“微系统将像塑料一样到处都用，像细菌一样无孔不入”[2]。微系统凭借其诸多优点广泛应用于航空航天、汽车、医疗、环境、能源等各个领域。微小型发动机、微小型导航系统、微小型推进系统、微小型热控系统和微型燃料电池等都是微系统在各行各业的典型应用[3，4]。在微系统中，除了电子组件之外，还包括各种微细插槽、主框架等微纳器件[5]。微纳器件因其具有微型化、高性能、批量化、低成本等特点，在航空航天、汽车、医疗、环境、能源等领域应用广泛[6-8]。但是传统的宏观成形工艺和传统单层薄板无法适应微系统对微纳器件的高性能、高标准、高产量的要求，这加速了新成形工艺和新材料的创新和发展。对于新工艺，微成形工艺是昀有发展前途的微纳器件制造工艺之一，具有高效率、高精度、低成本等优点[9]，在微电子领域应用广泛[10-12]。然而，尺度效应现象是限制薄板的微成形工艺进一步发展的关键问题。尺度效应现象是塑性变形、摩擦和断裂行为等材料性能表现出明显受试样几何尺寸或特征尺寸参数影响的现象[13-15]。近三十年来，针对单层金属薄板的尺度效应问题国内外学者已经开展了大量的研究。在单层金属薄板成形中的流动应力、塑性变形和摩擦及断裂行为等方面形成了较成熟的理论[16-19]，对于接下来的研究方向，如何精准预测甚至避免薄板微成形工艺中尺度效应的不可控性成为目前的研究热点。我国明确了研发高端金属结构材料(包括复层材料 )，构建国际竞争新优势的目标，并以成形制造一体化为发展方向[20]。具有微结构的薄板零件作为微纳器件中的关键零件必须具备优异的综合性能及特有属性，同时也要满足微成形工艺的成形性要求，这促使微结构不断微型化的同时向多材料及多级结构复合化、结构与功能 /智能耦合一体化发展。复层金属材料通过综合各组元材料优势获得期望的机械、物理和化学性能，能够有效提高金属材料强韧化，从而具备良好的综合性能[21-25]。复层金属材料已被广泛应用于汽车、航空航天、电气、医疗器械、燃料电池等工业领域。在微系统对于微纳器件的高性能的推动下，加速复层箔在微成形工艺中的快速应用将成为未来的研究热点。
　　目前对于复层金属材料的研究集中在微观组织调控和结构复合化方面[26-28]，对于复层金属材料的强化机制进行了广泛研究[29-31]，但是对于其在成形过程中的塑性变形行为和断裂失效行为的研究较少，尤其是微型化带来的尺度效应在复层金属薄板塑性变形及成形过程中的作用尚不明确。对于复层金属薄板，不同金属层之间尺度效应的共同作用、界面层引起的界面效应以及异层表面粗化演化的异质性对其机械性能和变形行为耦合影响尚未形成系统的理论。另外，针对于复层金属薄板断裂失效行为的研究很少，其失效过程和成形极限尚未系统阐述。薄板的失效行为和极限变形能力决定工件设计和成形过程[32]，这方面研究的匮乏限制了复层金属微结构和微特征的成形。自由表面效应引起的复层箔软化效应与界面效应引起的复层箔强化效应耦合作用使得其介观尺度塑性变形行为及成形规律变得更加复杂，这些都是复层箔微型构件精确成形需要迫切解决的关键难题，因此开展有关复层箔介观尺度塑性变形行为及微成形机理的研究具有重要的理论意义和实践应用价值。
　　1.2流动应力尺度效应研究现状
　　在微成形中，多种因素同时且交互地影响材料的变形行为、工艺性能和微成形零件的质量。这些因素包括坯料的原始机械性能和微观结构、微成形零件的几何形状和尺寸、工艺参数配置以及变形条件等。工件表面质量[33，34]、晶粒尺寸[35，36]、工件尺寸[37]和零件特征尺寸[38]都会影响微成形工艺和系统的行为和性能。但是由于不同尺度效应之间的相互作用和相互影响非常复杂且难以探索，对尺度效应的理解仍然不足。因此，深入了解微成形中的尺度效应有助于微成形零件的设计、微成形工艺的确定以及工艺参数的配置。
　　对于薄板微成形，尺度效应产生的原因是工件和晶粒尺寸降低的结果。大量研究证明，尺度效应对材料流动应力、变形均匀性、断裂行为、摩擦现象、表面粗糙化、尺寸精度以及微成形零件性能有明显影响。
　　介观尺度材料流动应力影响微型构件工艺参数确定、模具结构设计以及微型零件的几何和尺寸精度。晶粒尺度效应在宏观和微观尺寸的试样中都会发生，而试样几何尺度效应仅在试样厚度方向少于10个晶粒时表现明显[39]。但是，实际上这两个尺度效应相互作用共同影响材料的变形行为。随着晶粒尺寸的增大和试样厚度的减小流动应力呈现降低趋势。St.lken等[40]研究了退火镍箔的微拉伸塑性变形行为，结果显示试样的流动应力随着试样厚度减薄而明显降低。Keller等[41，42]在纯镍薄板的单向拉伸实验中也发现了相同的规律，当厚度小于约4个晶粒时，流动应力倾向于偏离Hall-Petch方程(图1.1)。Meng等[43]研究了几何尺寸和晶粒尺寸对材料流动行为的耦合效应，实验结果表明，随着试样厚度与晶粒尺寸比例的降低，材料流动应力、断裂应力和应变减小。Chen等[44]研究了试样尺寸和晶粒尺寸对银微丝抗拉强度的耦合效应，验证了试样直径与晶粒尺寸之比小于3时存在强化效应。此外，Dhruv等[45]对黄铜薄板的拉伸实验、Lederer等[46]对纯铝薄板的单向微拉伸实验、Gau等[14]对Al1100和黄铜材料的单拉和弯*实验、Kals等[47]对铜镍合金CuNi18Zn20和黄铜合金CuZn15片材的拉伸实验、孟庆当等[48]对SS304不锈钢的单向拉伸实验、Chan等[36]对纯铜薄板的单向拉伸实验、Chan等[49]对Al6061的压缩实验等都出现了类似的越小越弱的尺度效应现象。这些现象说明当金属薄板的厚度降低到某一临界值时，材料的强度不再只受晶粒尺寸的影响，几何尺寸和晶粒尺寸将共同影响板材的流动应力。
　　图1.1 (a)不同厚度与晶粒尺寸比值(t/d)样品的拉伸实验的应力-应变*线[41]；(b)Hall-Petch关系[41](图中数字为t/d)
　　目前基于不同的理论模型已经建立了大量的流动应力尺度效应本构模型，包括对**Hall-Petch关系的修正[50]、晶界强化模型[51]、混合模型[52]以及表面层模型[53，54]。Kim等[55]将t/d比值引入Hall-Petch定律，以预测尺度效应影响的流动应力。Wang等[56]引入t/d修正Swift方程中的强度系数K值，K值表示为关于t/d的函数，成功预测了t/d>4的试样的流动应力。Leu[57]根据位错堆积理论和Hall-Petch关系，提出了在拉伸流动应力中区分大尺度与小尺度的临界条件(t/d)c，通过考虑t/d建立了尺度效应模型，能够准确、有效地模拟板料从微观到宏观的拉伸流动应力。Liu等[51]基于混合法则建立了晶界强化模型。Chan等[36]将表面晶粒和内部晶粒分别简化为单晶体和多晶体引入表面层模型中，构建了介观尺度材料本构模型。表面层模型合理地描述了流动应力尺度效应现象，被大多数学者广泛接受。该模型认为：当工件厚度较大且晶粒尺寸较小时，工件横截面中的晶粒数量大且表面晶粒的体积分数较小；当工件厚度减小至微米级而且晶粒尺寸较大时，只有很少的晶粒构成了工件，表面晶粒的体积分数急剧增加。表面层模型将试样分为自由表面和内部晶粒。与内部晶粒相比，具有自由表面的晶粒受到约束较弱。因此，具有自由表面晶粒内部的位错密度明显低于内部晶粒的位错密度[58]，并且表面晶粒的流动应力较低[52]。流动应力的降低归因于表面层晶粒体积分数的增大，如图1.2所示。
　　图1.2 表面层模型[51]
　　定量化建模对分析介观尺度效应对材料塑性变形规律的影响至关重要。Kim等[59]提出将晶粒边界参数引入表征尺度效应影响的材料本构模型中。Peng等[60]基于表面层模型，提出一种介观尺度材料流动应力混合本构模型，较好地解释了材料介观本征尺度效应现象。国际上一些学者将晶体塑性理论与有限元相结合，对微成形过程中存在的尺度效应现象进行了分析。Cao等[61]利用晶体塑性有限元方法对微成形过程进行了分析，成功预测了纯铜在微挤压成形实验中出现的弯*现象。Fül？p等[62]利用晶体塑性理论模拟和实验研究分析了金属薄板单向拉伸塑性变形过程中的表面效应对其塑性变形行为影响的尺度效应问题。Chan等[63]通过微挤压实验和有限元建模对比分析了不同晶粒尺寸纯铜材料的塑性变形规律，成功验证了微挤压中随着晶粒的增大而出现的不规则变形现象。这些学者从介观尺度下材料的晶粒结构特点角度出发，通过有限元分析验证了表面层模型的合理性和正确性。
　　1.3 断裂行为尺度效应研究现状
　　从过程和系统性能的角度来看，尺度效应会影响变形载荷、成形系统的稳定性、产品质量、尺寸精度、机械性能以及变形的微零件的表面光洁度。尽管已经开展了很多材料变形行为的研究，但是由于不同尺度效应之间的相互作用和相互影响非常复杂且难以探索，对尺度效应的理解仍然不足。因此，深入了解微成形中的尺度效应有助于微成形零件的设计、微成形工艺的确定以及工艺参数的配置。多晶材料是由大量具有随机取向的单个晶粒组成的，当材料内部晶粒数量较小时材料整体上表现出明显的各向同性。当零件特征尺寸处于亚毫米量级或材料晶粒尺寸较大时，变形区内晶粒数量较少，单个晶粒的变形特性对其成形性能的影响愈加明显，极易导致非均匀变形现象的发生。目前，大多学者主要通过有限元模拟来分析薄板的非均匀塑性变形行为及其影响机理。
　　Peng等[64]构建了考虑晶粒取向及其演化的本构模型，采用Voronoi镶嵌法建立了描述晶粒结构的模型进行有限元模拟，研究了微/细观成形过程中与晶粒取向有关的尺度效应。结果表明，晶粒尺寸的增大导致变形区晶粒数减少，单个晶粒之间的相互约束减少，非均匀变形更加严重，导致表面粗糙度的增加，如图1.3所示。在Hall-Petch方程的基础上，考虑了晶粒取向及其演变的影响，建立了流动应力的本构模型，实验结果证明晶粒取向对流动应力有显著影响。Wang等[65]建立了柔性微弯过程的有限元模型，在该模型中，用Voronoi镶嵌法建立了晶粒几何结构来描述多晶聚集。Fül.p等[62]报道了一种基于有限元模拟的晶体塑性模型，用于研究超薄薄板的成形。模拟结果证实了该方法的可靠性，并能较好地预测随晶粒尺寸或板厚变化的力学性能。此外，Adzima等[66]还采用唯象建模方法和晶体塑性有限元法(CPFEM)研究了尺度效应。金属薄板介观尺度塑性变形行为从实验到理论再到有限元模拟已经得到了较充分的研究，其中晶体塑性有限元模拟能够帮助理解尺度效应影响下的薄板的变形行为，这为研究金属薄板介观尺度断裂失效行为做了很好的铺垫。
　　图1.3 有限元模拟结果的表面形貌分析[64]
　　(a)变形后自由表面形貌；(b)变形表面粗糙度
　　不同取向表层晶粒之间的相互作用能够加剧微零件的表面粗糙度[44]。表面粗糙反过来还会影响到晶粒的塑性变形行为。晶粒是在特定的滑移系统中通过滑移而变形，相邻不同晶粒因具有不同的晶体学取向，导致相邻晶粒之间发生塑性变形的先后顺序及变形程度存在差异[67]。具有自由表面的晶粒受到的约束较弱，因此应变不相容性使晶粒垂直于表面运动，而且由于晶界限制变形作用，导致试样表面凸凹结构的形成。
　　Leu等[68]表示根据观察到的塑性变形过程中表面微观组织的变化，表面粗糙度是由于晶粒或部分晶粒的剪切作用将其从自由表面推出而引起的，如图1.4所示。Al-Qureshi等[69]研究了表面粗糙度对塑性不稳定性和颈缩开始条件的影响。Dai等[70]研究了铝板塑性变形过程中的表面粗糙化机理，发现薄板表面粗糙度与塑性变形和晶粒大小成正比。M

目录
“博士后文库”序言
前言
第1章绪论1
1.1研究背景1
1.2流动应力尺度效应研究现状2
1.3断裂行为尺度效应研究现状5
1.4微弯*回弹尺度效应研究现状11
1.5成形极限尺度效应研究现状12
1.6薄板微成形工艺研究现状18
1.7本书主要内容20
参考文献22
第2章铜/镍复层箔微拉伸流动应力尺度效应32
2.1引言32
2.2实验材料及方案32
2.2.1实验材料及处理32
2.2.2实验方案33
2.3真实应力-应变*线分析43
2.3.1晶粒尺寸/界面尺度效应43
2.3.2各向异性尺度效应58
2.4介观尺度材料本构建模与分析63
2.4.1混合法则63
2.4.2表面层模型64
2.4.3本构模型65
2.4.4模型参数67
2.4.5实验验证及分析69
2.5本章小结73
参考文献73
第3章铜/镍复层箔微拉伸断裂行为尺度效应76
3.1引言76
3.2工程应力-应变*线分析76
3.2.1屈服强度和抗拉强度76
3.2.2延伸率78
3.2.3各向异性的影响80
3.3宏观断口分析84
3.4微观断口分析88
3.5断裂微观机制分析90
3.6本章小结92
参考文献93
第4章铜/镍复层箔软模微弯*尺度效应94
4.1引言94
4.2实验材料及方案94
4.2.1实验材料及处理94
4.2.2实验方案95
4.3Cu/Ni复层箔软模微弯*过程的模拟分析99
4.3.1有限元模型构建99
4.3.2微弯*过程分析102
4.4微弯*塑性变形行为分析106
4.5微弯*回弹预测模型构建与分析111
4.6本章小结115
参考文献116
第5章铜/镍复层箔成形极限尺度效应117
5.1引言117
5.2实验材料及方案117
5.2.1实验材料及热处理制度117
5.2.2实验方案119
5.3成形极限实验参数优化124
5.4Cu/Ni复层箔介观尺度成形极限图127
5.4.1晶粒尺寸对成形极限的影响128
5.4.2放置方式对成形极限的影响131
5.5Cu/Ni复层箔成形性尺度效应132
5.5.1应变路径133
5.5.2不同加载路径下的变形行为135
5.6Cu/Ni复层箔介观尺度成形极限建模135
5.6.1宏观尺度成形极限预测模型136
5.6.2薄板介观尺度成形极限建模150
5.6.3Cu/Ni复层箔介观尺度成形极限预测155
5.7本章小结160
参考文献161
第6章铜/镍复层箔微流道/双极板软模微成形有限元模拟164
6.1引言164
6.2有限元模型建立164
6.3微流道软模成形有限元分析165
6.3.1微流道软模成形过程165
6.3.2坯料退火温度对微流道成形质量的影响167
6.3.3微流道深宽比对微流道成形质量的影响169
6.4本章小结170
参考文献171
第7章铜/镍复层箔微流道软模微成形工艺研究172
7.1引言172
7.2实验材料及方案172
7.2.1实验材料及热处理172
7.2.2实验方案174
7.3成形载荷对微流道成形质量的影响177
7.4凹模表面粗糙度对微流道成形质量的影响180
7.5橡胶厚度对微流道成形质量的影响181
7.6坯料退火温度对微流道成形质量的影响182
7.6.1坯料退火温度对成形深度的影响182
7.6.2坯料退火温度对壁厚分布的影响185
7.6.3坯料退火温度对表面粗糙度的影响191
7.7微流道宽度对微流道成形质量的影响192
7.7.1微流道宽度对成形深度的影响192
7.7.2微流道宽度对壁厚分布的影响193
7.7.3微流道宽度对表面粗糙度的影响197
7.8本章小结198
参考文献199
第8章铜/镍复层箔双极板软模微成形工艺研究200
8.1引言200
8.2成形载荷对双极板成形质量的影响200
8.3坯料退火温度对双极板成形质量的影响204
8.4润滑方式对双极板成形质量的影响207
8.5保压时间对双极板成形质量的影响209
8.6燃料电池双极板软模微成形质量评价210
8.6.1尺寸精度分析211
8.6.2表面形貌分析212
8.6.3壁厚减薄分析213
8.7本章小结214
参考文献215
编后记216