C19210銅合金熱變形行為的研究

姚 松, 劉 平,, 劉新寬, 李 偉, 馬鳳倉(cāng), 陳小紅, 何代華

(1.上海理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院,上海 200093; 2.上海理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院,上海 200093)

0 前 言

目前,電子信息產(chǎn)業(yè)的高速發(fā)展,特別是集成電路封裝的高速發(fā)展,極大地帶動(dòng)了引線框架材料的高速發(fā)展.銅合金以其優(yōu)異的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性能及其低廉的價(jià)格,使其用量占整個(gè)引線框架材料的80%以上[1].其中應(yīng)用較廣泛的引線框架銅合金種類為C19400合金和C19210合金,主要的加工方法是采用水平連鑄連軋.而連續(xù)擠壓工藝作為近些年新興的加工工藝在有色金屬加工方面有著突出的優(yōu)勢(shì),越來(lái)越受到關(guān)注.連續(xù)擠壓方法工藝簡(jiǎn)單,既能節(jié)省能耗、降低成本,又能一次性成形,這些優(yōu)點(diǎn)使得它在銅線的生產(chǎn)中蘊(yùn)藏巨大的潛力[2].但是由于銅合金變形溫度高、變形抗力大、高溫氧化性強(qiáng)，且存在析出問(wèn)題,使得銅合金連續(xù)擠壓技術(shù)在塑性變形機(jī)理和工藝參數(shù)方面還有待進(jìn)一步研究.

本文基于C19210銅合金引線框架材料,研究?jī)煞N狀態(tài)在不同條件下的熱變形行為,分析溫度和應(yīng)變速率對(duì)熱變形的影響,結(jié)合對(duì)Zener-hollomon參數(shù)的研究,建立C19210銅合金穩(wěn)態(tài)流變行為下的熱變形方程,為數(shù)值模擬及合理的熱塑性成形工藝和設(shè)備選擇提供依據(jù),并為引線框架銅合金大規(guī)模連續(xù)擠壓生產(chǎn)提供了基礎(chǔ)試驗(yàn)數(shù)據(jù).

1 試驗(yàn)條件及方法

試驗(yàn)用C19210銅合金的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))為0.12%Fe、0.03%P,余量為Cu.試樣由國(guó)內(nèi)某銅廠提供,分為兩份,一份為熱軋態(tài),未經(jīng)過(guò)再結(jié)晶退火,另一份經(jīng)過(guò)了固溶處理.試樣尺寸為φ6 mm×25 mm,高溫拉伸試驗(yàn)在Zwick/Roell Z100電子萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行.試驗(yàn)溫度范圍為20～800 ℃,應(yīng)變速率為0.01～0.2/s,高溫拉伸的試驗(yàn)升溫速率為20 ℃/min,保溫時(shí)間為10 min.

2 結(jié)果與分析

由試驗(yàn)得到C19210銅合金兩種狀態(tài)下的流變應(yīng)力-應(yīng)變曲線,變形速率為0.2 s-1,見(jiàn)圖1.根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)照分析得到如下結(jié)論:變形溫度對(duì)合金的塑性有很大的影響.總體來(lái)說(shuō),隨著溫度的升高,塑性會(huì)隨之升高.在開(kāi)始變形階段,變形量較小時(shí),隨著應(yīng)變的逐步增加,位錯(cuò)密度增加,位錯(cuò)消失速度隨之增大,但總的趨勢(shì)是加工硬化超過(guò)動(dòng)態(tài)軟化.因此,隨著變形量的增加,變形應(yīng)力還是不斷增加的,所以,這一階段表現(xiàn)為明顯的加工硬化.在這一變形階段,熱軋態(tài)C19210銅合金本身存在加工硬化,組織內(nèi)存在內(nèi)應(yīng)力,在變形過(guò)程中能夠抑制部分異號(hào)位錯(cuò)的產(chǎn)生,減少動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的出現(xiàn).而固溶態(tài)C19210銅合金由于經(jīng)過(guò)高溫固溶,消除了加工硬化產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力,所以在變形過(guò)程中表現(xiàn)為明顯的加工硬化和動(dòng)態(tài)回復(fù)的共同作用,即圖像中表現(xiàn)的流變應(yīng)力的增加值要比熱軋態(tài)的緩慢.熱軋態(tài)組織內(nèi)部由于存在加工硬化產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力,位錯(cuò)數(shù)目明顯高于固溶態(tài),造成相同溫度和變形速率下的熱軋態(tài)流變應(yīng)力的穩(wěn)定值也比固溶態(tài)高.

兩種狀態(tài)共同的趨勢(shì)是高溫下的流變應(yīng)力比低溫下的流變應(yīng)力更容易達(dá)到最大值.隨著變形量的增加,流變應(yīng)力值也不斷增加,繼續(xù)增加變形量,應(yīng)力值的增加幅度開(kāi)始減小,這是由于動(dòng)態(tài)軟化的作用在加強(qiáng).隨著變形量的增大,位錯(cuò)密度不斷升高,變形儲(chǔ)能也增加.當(dāng)達(dá)到臨界值后,變形晶粒將會(huì)以某些亞晶或雜質(zhì)相為核心生長(zhǎng)成新的晶粒,進(jìn)而完全消除晶粒內(nèi)部加工硬化,即動(dòng)態(tài)再結(jié)晶過(guò)程.當(dāng)變形量增加到一定程度時(shí),應(yīng)力值達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài),動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的發(fā)生與發(fā)展促使更多的位錯(cuò)消失,加工硬化和動(dòng)態(tài)再結(jié)晶在此條件下達(dá)到一種相對(duì)的平衡狀態(tài).隨后,隨著變形量的增大,應(yīng)力值變化較小,位錯(cuò)的增值無(wú)法被動(dòng)態(tài)回復(fù)抵消,變形趨勢(shì)一直到材料被拉斷.在400～600 ℃時(shí),由于第二相的析出強(qiáng)化作用造成的位錯(cuò)增多,滑移系減少,從而使合金晶粒的相互協(xié)調(diào)性降低,最終表現(xiàn)為變形過(guò)程中的塑性降低,應(yīng)變量有所減小.

3 本構(gòu)方程的建立

(1)

其中:

(2)

Z為Zener-Htollomon參數(shù),其物理意義是溫度補(bǔ)償因子,依賴于σ而與T無(wú)關(guān);Q是熱變形激活能,反映材料熱變形的難易程度,是材料在熱變形過(guò)程中重要的力學(xué)性能參數(shù).如果知道函數(shù)Z=f(σ),更確切地說(shuō),已知與試驗(yàn)結(jié)果相符的經(jīng)驗(yàn)公式,可以測(cè)定與R無(wú)關(guān)的熱變形激活能.該方法有自調(diào)節(jié)功能,即材料常數(shù)的近似值已包含在式中,該公式確定的Q又反過(guò)來(lái)進(jìn)一步精確材料的常數(shù)值[4].研究表明,Z與σ之間服從以下關(guān)系式：

Z=A[sin(ασ)]n

(3)

上式在較寬的應(yīng)變速率和溫度范圍內(nèi)與試驗(yàn)資料相符[5].結(jié)合式(2)和式(3)得出:

(4)

(5)

(6)

(7)

指數(shù)方程(5)適用于材料高溫變形時(shí)流動(dòng)應(yīng)力高的情況,即ασ≥2.0;冪指數(shù)方程(6)適用于材料高溫變形時(shí)流動(dòng)應(yīng)力低的情況,即ασ≤0.5;而雙曲正弦函數(shù)方程(7)能夠描述所有材料高溫變形時(shí)的流變應(yīng)力.在C19210銅合金本構(gòu)方程的計(jì)算中流變應(yīng)力σ取抗拉強(qiáng)度σb[6-8].

圖曲線

假定熱變形激活能與溫度無(wú)關(guān),對(duì)(4)式兩邊分別取對(duì)數(shù),可以得到:

(8)

圖曲線

從上式中可以確定:

(9)

圖4 ln[sinh(ασb)]-T-1曲線Fig.4 ln[sinh(ασb)]-T-1 curve

(9)式中K1代表關(guān)系圖3的斜率,而K2代表的是關(guān)系圖4的斜率的倒數(shù),通過(guò)Origin擬合曲線得出相應(yīng)的斜率分別為4.904、0.159,將兩值代入(9)式,得Q=256.448(kJ/mol).

對(duì)(3)式兩邊取對(duì)數(shù)可以得到:

(10)

將前面計(jì)算得到的熱激活能帶入(2)式,得到

(11)

將不同變形溫度下的銅合金變形時(shí)的應(yīng)變速率代入(11)式得到不同的Z值,再與對(duì)應(yīng)的峰值應(yīng)力一起代入(10)式,用最小二乘法線性回歸,繪制相應(yīng)的lnZ-nln[sinh(ασb)]曲線圖,如圖6所示.通過(guò)Origin擬合曲線得出的斜率為n值,即n=6.29.

圖曲線

圖6 lnZ-nln[sinh(ασb)]曲線Fig.6 lnZ-nln[sinh(ασb)] curve

由公式(4)得到:

(11)

將前面計(jì)算得到的值代入(11)式,解得A=exp31.05.

所以C19210銅合金固溶態(tài)的本構(gòu)方程為:

用同樣的方法求得C19210銅合金在熱軋態(tài)下的本構(gòu)方程為:

4 結(jié) 論

(1) C19210銅合金在變形溫度和變形速率相同的情況下,兩種狀態(tài)都發(fā)生了明顯的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶,固溶態(tài)的流變應(yīng)力低于熱軋態(tài),且激活能比熱軋態(tài)小很多,分別為242.446 kJ/mol、306.925 kJ/mol,固溶態(tài)的C19210銅合金更適合用于連續(xù)擠壓.

(2) C19210銅合金固溶態(tài)的本構(gòu)方程為:

熱軋態(tài)的本構(gòu)方程為:

參考文獻(xiàn):

[1] 馬莒生.引線框架材料發(fā)展的趨勢(shì).中國(guó)有色金屬加工工業(yè)協(xié)會(huì)中國(guó)電子材料行業(yè)協(xié)會(huì).電子工業(yè)用銅合金材料研討會(huì)文集[C].北京:2001:28-29.

[2] 鐘毅.連續(xù)擠壓技術(shù)及其應(yīng)用[M].北京:冶金工業(yè)出版社,2004:20-26.

[3] Zener C,Hollomon J H.Effect of strain rate upon plastic flow of steel[J].JournalofAppliedPhysics,1944,15:22-32.

[4] Guan delin.Elevated temperature deformation of crystal[M].Dalian:Dalian University of Technology Press,1989:111-115.

[5] Wong W A,Jonas J J.Aluminium extrusion as a thermally activated process[J].TransAIME,1968,242:2271-2280.

[6] Sellars C M,Tegart.On the mechanism of deformation[J].ActaMetallurgica,1966,14:1136-1138.

[7] Rao K P,Hawbolt E B.Development of constitutive relationships using compression testing of a mediu carbon steel[J].TrasactionsoftheASMEJournalofEngineeringMaterialsandTechnology,1992,114:116-123.

[8] Pu Z J.Development of constitutive relationship for the hot deformation of boron micro-alloying TiAl-Cr-V alloys[J].MaterialsScienceandEngineeringA,1995,192/193:780-787.