C19210铜合金热变形行为的研究

姚 松, 刘 平,, 刘新宽, 李 伟, 马凤仓, 陈小红, 何代华

(1.上海理工大学 机械工程学院,上海 200093; 2.上海理工大学 材料科学与工程学院,上海 200093)

0 前 言

目前,电子信息产业的高速发展,特别是集成电路封装的高速发展,极大地带动了引线框架材料的高速发展.铜合金以其优异的导电性、导热性能及其低廉的价格,使其用量占整个引线框架材料的80%以上[1].其中应用较广泛的引线框架铜合金种类为C19400合金和C19210合金,主要的加工方法是采用水平连铸连轧.而连续挤压工艺作为近些年新兴的加工工艺在有色金属加工方面有着突出的优势,越来越受到关注.连续挤压方法工艺简单,既能节省能耗、降低成本,又能一次性成形,这些优点使得它在铜线的生产中蕴藏巨大的潜力[2].但是由于铜合金变形温度高、变形抗力大、高温氧化性强，且存在析出问题,使得铜合金连续挤压技术在塑性变形机理和工艺参数方面还有待进一步研究.

本文基于C19210铜合金引线框架材料,研究两种状态在不同条件下的热变形行为,分析温度和应变速率对热变形的影响,结合对Zener-hollomon参数的研究,建立C19210铜合金稳态流变行为下的热变形方程,为数值模拟及合理的热塑性成形工艺和设备选择提供依据,并为引线框架铜合金大规模连续挤压生产提供了基础试验数据.

1 试验条件及方法

试验用C19210铜合金的化学成分(质量分数)为0.12%Fe、0.03%P,余量为Cu.试样由国内某铜厂提供,分为两份,一份为热轧态,未经过再结晶退火,另一份经过了固溶处理.试样尺寸为φ6 mm×25 mm,高温拉伸试验在Zwick/Roell Z100电子万能材料试验机上进行.试验温度范围为20～800 ℃,应变速率为0.01～0.2/s,高温拉伸的试验升温速率为20 ℃/min,保温时间为10 min.

2 结果与分析

由试验得到C19210铜合金两种状态下的流变应力-应变曲线,变形速率为0.2 s-1,见图1.根据试验结果进行对照分析得到如下结论:变形温度对合金的塑性有很大的影响.总体来说,随着温度的升高,塑性会随之升高.在开始变形阶段,变形量较小时,随着应变的逐步增加,位错密度增加,位错消失速度随之增大,但总的趋势是加工硬化超过动态软化.因此,随着变形量的增加,变形应力还是不断增加的,所以,这一阶段表现为明显的加工硬化.在这一变形阶段,热轧态C19210铜合金本身存在加工硬化,组织内存在内应力,在变形过程中能够抑制部分异号位错的产生,减少动态再结晶的出现.而固溶态C19210铜合金由于经过高温固溶,消除了加工硬化产生的内应力,所以在变形过程中表现为明显的加工硬化和动态回复的共同作用,即图像中表现的流变应力的增加值要比热轧态的缓慢.热轧态组织内部由于存在加工硬化产生的内应力,位错数目明显高于固溶态,造成相同温度和变形速率下的热轧态流变应力的稳定值也比固溶态高.

两种状态共同的趋势是高温下的流变应力比低温下的流变应力更容易达到最大值.随着变形量的增加,流变应力值也不断增加,继续增加变形量,应力值的增加幅度开始减小,这是由于动态软化的作用在加强.随着变形量的增大,位错密度不断升高,变形储能也增加.当达到临界值后,变形晶粒将会以某些亚晶或杂质相为核心生长成新的晶粒,进而完全消除晶粒内部加工硬化,即动态再结晶过程.当变形量增加到一定程度时,应力值达到稳定状态,动态再结晶的发生与发展促使更多的位错消失,加工硬化和动态再结晶在此条件下达到一种相对的平衡状态.随后,随着变形量的增大,应力值变化较小,位错的增值无法被动态回复抵消,变形趋势一直到材料被拉断.在400～600 ℃时,由于第二相的析出强化作用造成的位错增多,滑移系减少,从而使合金晶粒的相互协调性降低,最终表现为变形过程中的塑性降低,应变量有所减小.

3 本构方程的建立

(1)

其中:

(2)

Z为Zener-Htollomon参数,其物理意义是温度补偿因子,依赖于σ而与T无关;Q是热变形激活能,反映材料热变形的难易程度,是材料在热变形过程中重要的力学性能参数.如果知道函数Z=f(σ),更确切地说,已知与试验结果相符的经验公式,可以测定与R无关的热变形激活能.该方法有自调节功能,即材料常数的近似值已包含在式中,该公式确定的Q又反过来进一步精确材料的常数值[4].研究表明,Z与σ之间服从以下关系式：

Z=A[sin(ασ)]n

(3)

上式在较宽的应变速率和温度范围内与试验资料相符[5].结合式(2)和式(3)得出:

(4)

(5)

(6)

(7)

指数方程(5)适用于材料高温变形时流动应力高的情况,即ασ≥2.0;幂指数方程(6)适用于材料高温变形时流动应力低的情况,即ασ≤0.5;而双曲正弦函数方程(7)能够描述所有材料高温变形时的流变应力.在C19210铜合金本构方程的计算中流变应力σ取抗拉强度σb[6-8].

图曲线

假定热变形激活能与温度无关,对(4)式两边分别取对数,可以得到:

(8)

图曲线

从上式中可以确定:

(9)

图4 ln[sinh(ασb)]-T-1曲线Fig.4 ln[sinh(ασb)]-T-1 curve

(9)式中K1代表关系图3的斜率,而K2代表的是关系图4的斜率的倒数,通过Origin拟合曲线得出相应的斜率分别为4.904、0.159,将两值代入(9)式,得Q=256.448(kJ/mol).

对(3)式两边取对数可以得到:

(10)

将前面计算得到的热激活能带入(2)式,得到

(11)

将不同变形温度下的铜合金变形时的应变速率代入(11)式得到不同的Z值,再与对应的峰值应力一起代入(10)式,用最小二乘法线性回归,绘制相应的lnZ-nln[sinh(ασb)]曲线图,如图6所示.通过Origin拟合曲线得出的斜率为n值,即n=6.29.

图曲线

图6 lnZ-nln[sinh(ασb)]曲线Fig.6 lnZ-nln[sinh(ασb)] curve

由公式(4)得到:

(11)

将前面计算得到的值代入(11)式,解得A=exp31.05.

所以C19210铜合金固溶态的本构方程为:

用同样的方法求得C19210铜合金在热轧态下的本构方程为:

4 结 论

(1) C19210铜合金在变形温度和变形速率相同的情况下,两种状态都发生了明显的动态再结晶,固溶态的流变应力低于热轧态,且激活能比热轧态小很多,分别为242.446 kJ/mol、306.925 kJ/mol,固溶态的C19210铜合金更适合用于连续挤压.

(2) C19210铜合金固溶态的本构方程为:

热轧态的本构方程为:

参考文献:

[1] 马莒生.引线框架材料发展的趋势.中国有色金属加工工业协会中国电子材料行业协会.电子工业用铜合金材料研讨会文集[C].北京:2001:28-29.

[2] 钟毅.连续挤压技术及其应用[M].北京:冶金工业出版社,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.