C19210銅合金熱變形行為的研究

姚 松, 劉 平,, 劉新寬, 李 偉, 馬鳳倉, 陳小紅, 何代華

(1.上海理工大學 機械工程學院,上海 200093; 2.上海理工大學 材料科學與工程學院,上海 200093)

0 前 言

目前,電子信息產業的高速發展,特別是集成電路封裝的高速發展,極大地帶動了引線框架材料的高速發展.銅合金以其優異的導電性、導熱性能及其低廉的價格,使其用量占整個引線框架材料的80%以上[1].其中應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勢,越來越受到關注.連續擠壓方法工藝簡單,既能節省能耗、降低成本,又能一次性成形,這些優點使得它在銅線的生產中蘊藏巨大的潛力[2].但是由于銅合金變形溫度高、變形抗力大、高溫氧化性強，且存在析出問題,使得銅合金連續擠壓技術在塑性變形機理和工藝參數方面還有待進一步研究.

本文基于C19210銅合金引線框架材料,研究兩種狀態在不同條件下的熱變形行為,分析溫度和應變速率對熱變形的影響,結合對Zener-hollomon參數的研究,建立C19210銅合金穩態流變行為下的熱變形方程,為數值模擬及合理的熱塑性成形工藝和設備選擇提供依據,并為引線框架銅合金大規模連續擠壓生產提供了基礎試驗數據.

1 試驗條件及方法

試驗用C19210銅合金的化學成分(質量分數)為0.12%Fe、0.03%P,余量為Cu.試樣由國內某銅廠提供,分為兩份,一份為熱軋態,未經過再結晶退火,另一份經過了固溶處理.試樣尺寸為φ6 mm×25 mm,高溫拉伸試驗在Zwick/Roell Z100電子萬能材料試驗機上進行.試驗溫度范圍為20～800 ℃,應變速率為0.01～0.2/s,高溫拉伸的試驗升溫速率為20 ℃/min,保溫時間為10 min.

2 結果與分析

由試驗得到C19210銅合金兩種狀態下的流變應力-應變曲線,變形速率為0.2 s-1,見圖1.根據試驗結果進行對照分析得到如下結論:變形溫度對合金的塑性有很大的影響.總體來說,隨著溫度的升高,塑性會隨之升高.在開始變形階段,變形量較小時,隨著應變的逐步增加,位錯密度增加,位錯消失速度隨之增大,但總的趨勢是加工硬化超過動態軟化.因此,隨著變形量的增加,變形應力還是不斷增加的,所以,這一階段表現為明顯的加工硬化.在這一變形階段,熱軋態C19210銅合金本身存在加工硬化,組織內存在內應力,在變形過程中能夠抑制部分異號位錯的產生,減少動態再結晶的出現.而固溶態C19210銅合金由于經過高溫固溶,消除了加工硬化產生的內應力,所以在變形過程中表現為明顯的加工硬化和動態回復的共同作用,即圖像中表現的流變應力的增加值要比熱軋態的緩慢.熱軋態組織內部由于存在加工硬化產生的內應力,位錯數目明顯高于固溶態,造成相同溫度和變形速率下的熱軋態流變應力的穩定值也比固溶態高.

兩種狀態共同的趨勢是高溫下的流變應力比低溫下的流變應力更容易達到最大值.隨著變形量的增加,流變應力值也不斷增加,繼續增加變形量,應力值的增加幅度開始減小,這是由于動態軟化的作用在加強.隨著變形量的增大,位錯密度不斷升高,變形儲能也增加.當達到臨界值后,變形晶粒將會以某些亞晶或雜質相為核心生長成新的晶粒,進而完全消除晶粒內部加工硬化,即動態再結晶過程.當變形量增加到一定程度時,應力值達到穩定狀態,動態再結晶的發生與發展促使更多的位錯消失,加工硬化和動態再結晶在此條件下達到一種相對的平衡狀態.隨后,隨著變形量的增大,應力值變化較小,位錯的增值無法被動態回復抵消,變形趨勢一直到材料被拉斷.在400～600 ℃時,由于第二相的析出強化作用造成的位錯增多,滑移系減少,從而使合金晶粒的相互協調性降低,最終表現為變形過程中的塑性降低,應變量有所減小.

3 本構方程的建立

(1)

其中:

(2)

Z為Zener-Htollomon參數,其物理意義是溫度補償因子,依賴于σ而與T無關;Q是熱變形激活能,反映材料熱變形的難易程度,是材料在熱變形過程中重要的力學性能參數.如果知道函數Z=f(σ),更確切地說,已知與試驗結果相符的經驗公式,可以測定與R無關的熱變形激活能.該方法有自調節功能,即材料常數的近似值已包含在式中,該公式確定的Q又反過來進一步精確材料的常數值[4].研究表明,Z與σ之間服從以下關系式：

Z=A[sin(ασ)]n

(3)

上式在較寬的應變速率和溫度范圍內與試驗資料相符[5].結合式(2)和式(3)得出:

(4)

(5)

(6)

(7)

指數方程(5)適用于材料高溫變形時流動應力高的情況,即ασ≥2.0;冪指數方程(6)適用于材料高溫變形時流動應力低的情況,即ασ≤0.5;而雙曲正弦函數方程(7)能夠描述所有材料高溫變形時的流變應力.在C19210銅合金本構方程的計算中流變應力σ取抗拉強度σb[6-8].

圖曲線

假定熱變形激活能與溫度無關,對(4)式兩邊分別取對數,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代表關系圖3的斜率,而K2代表的是關系圖4的斜率的倒數,通過Origin擬合曲線得出相應的斜率分別為4.904、0.159,將兩值代入(9)式,得Q=256.448(kJ/mol).

對(3)式兩邊取對數可以得到:

(10)

將前面計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的應變速率代入(11)式得到不同的Z值,再與對應的峰值應力一起代入(10)式,用最小二乘法線性回歸,繪制相應的lnZ-nln[sinh(ασb)]曲線圖,如圖6所示.通過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)

將前面計算得到的值代入(11)式,解得A=exp31.05.

所以C19210銅合金固溶態的本構方程為:

用同樣的方法求得C19210銅合金在熱軋態下的本構方程為:

4 結 論

(1) C19210銅合金在變形溫度和變形速率相同的情況下,兩種狀態都發生了明顯的動態再結晶,固溶態的流變應力低于熱軋態,且激活能比熱軋態小很多,分別為242.446 kJ/mol、306.925 kJ/mol,固溶態的C19210銅合金更適合用于連續擠壓.

(2) C19210銅合金固溶態的本構方程為:

熱軋態的本構方程為:

參考文獻:

[1] 馬莒生.引線框架材料發展的趨勢.中國有色金屬加工工業協會中國電子材料行業協會.電子工業用銅合金材料研討會文集[C].北京:2001:28-29.

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