金刚石印压微孔成形机理与试验分析

在汽车油箱生产线的超声波测漏设备标定技术领域，其核心的标定样件为中心带有微孔≤5μm的薄金属片，属于易耗件，需求较大。国内外主要通过超快激光技术来实现其微孔加工，但成本较高，因此研究微孔加工技术具有重要意义。

金刚石纳米印压成孔技术是一种新的大深径比超微孔加工方法。该技术利用金属薄片底部硬基底的支撑效应，在金刚石压头纳米钝圆的冲压作用下，使薄片底部材料侧向塑流，进而实现底部微孔的成形。该方法不追求金属薄片厚度方向上超微孔孔径的一致性，而追求单侧超微孔孔洞的实现性，因此可以实现金属薄片上大深径比单侧超微孔成形。目前应用金刚石压头纳米印压成孔技术已经初步实现了微孔的加工，但对微孔成形机理尚不明确，且加工后微孔附近存在微裂纹，影响微孔质量。为了获得良好质量、更小孔径的微孔，必须准确地掌握印压成孔的成形机理。为此本文基于分子动力学仿真研究金刚石纳米印压成孔过程中微孔的成形机制及材料的变形过程，对微孔附近微裂纹的产生过程进行分析，为金刚石纳米印压成孔机理研究提供了理论依据。

金刚石纳米印压加工金属薄片属于压力加工的一种工艺方法。晶粒尺寸和卸载过程直接影响微裂纹的萌生和扩展。利用自主开发的金刚石印压微孔成形装置在同等试验条件下印压加工晶粒度不同的铜片，进而分析晶粒尺寸和压头卸载速率对微孔成形质量的影响。试验装置如所示。

在理论上来说，较小的圆锥角和钝圆半径更利于超微孔的形成，但是压头的圆锥角越小，其刚度和稳定性越差。因此本文选择锥角为80°、钝圆半径为5.41μm的金刚石圆锥压头。直线电机选择5nm分辨率的MicroE光栅尺作为闭环系统，可紧密控制压头的下压量。装置采用力、声、光多传感器原位检测技术，可对铜片底部成孔时刻进行准确判断。采用德国蔡司公司的EVO-MA25扫描电镜对印压后的铜片超微孔尺度和材料微观结构损伤进行检测；采用英国Scantron公司的Proscan 2100表面粗糙度轮廓测量仪对铜片表面轮廓进行分析。

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1.直线电机2.角度调节台3.声发射传感器4.硬质玻璃基底5.工作台6.测力仪7.金刚石圆锥压头8.铜片9.微视频显微镜10.底座

印压成孔中金属材料的变形是一个由量变到质变的过程，从开始的晶内损伤、裂纹的形成、扩展与贯通，直至断裂成孔。为金刚石纳米印压模型。初始加载时，金刚石压头尖端接触铜片上表面，压头正下方区域材料先发生弹性变形。随着压头载荷的增大，材料内部应力呈线性增大。当应力超过材料屈服应力时，开始产生塑性变形。塑性变形区域材料受到锥形压头侧向挤压力发生侧向流动，塑性变形区内材料变得更紧密，产生加工硬化。材料向下流动阻力增大，塑性变形区内部分材料被挤压到铜片上表面，形成材料堆积。当金刚石压头载荷增大到临界值时，材料内部弹性区边界拉应力超过材料强度极限，压头尖端处应力高度集中，将产生垂直于材料表面的径向裂纹。随着压头压透铜片，径向裂纹进一步扩展，最终在铜片下表面形成微孔。

在卸载阶段，塑性变形区域材料不再产生变形，弹性区材料向非弹性区产生弹性回复。弹性回复使二者之间相接触区域原有应力状态产生变化，弹性区边界的拉应力发生改变，铜片下表面微孔尺寸收缩。非弹性区受到弹性区材料的回复力作用，产生一个拉应力反作用于弹性区材料，在铜片下表面塑性变形区边界处形成平行于铜片下表面的横向裂纹。为微孔附近的微裂纹情况，可以看到在微孔附近存在微裂纹。微观裂纹的产生机制尚不明确，本文借助分子动力学软件从微观晶体力学角度研究微裂纹的形成。

2  印压微孔过程的分子动力学模拟分析

纯铜材料为面心立方体晶格，其塑性变形方式为滑移变形。为印压成孔过程压头的载荷—位移曲线，图中标号a-d分别对应的CSP原子位错图，原子的不同灰度代表不同的CSP值。结合晶体缺陷分析技术（CSP）辨别工件材料的位错运动形式，进而解释压头的载荷—位移曲线的变化。初始接触时，晶格内原子间距离在外力作用下改变，导致晶格畸变。

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如a所示，工件进入塑性变形阶段，压头下方区域晶格沿晶面向一定方向移动，产生初始位错，并以层错的形式表现出来，初始位错在压头下方工件材料自由表面处形核并运动，导致a点处压头载荷下降；随着压深的增加，层错逐渐累积。如b所示，压头下方出现位错形核，位错形核释放了弹性变形时累积的应变能，使压头载荷的降低。

如c所示，位错变大，层错区域变大，压头下方出现一个封闭的梯形位错。位错连续从自由表面形核，导致压头载荷出现小幅振荡。形核的位错在不同滑移面上运动，它们相互靠近并发生交叉滑移，导致加工硬化，压头载荷显著增加。新位错的形成是由于位错相互作用引起局部的应力集中，而位错的增多会导致位错作用的增强，在d点处材料达到塑性变形极限。泰勒（Taylor）认为，除最初的位错外，增殖的位错不能穿过晶体，而是在晶体内部相互牵制。两个位错相互越过所需的应力更大。所以当一列位错在一个滑移面上受阻于晶界或其它障碍物时，若压头载荷达到某一临界值，这些位错将合并而成为断裂核心。随着金刚石压头继续印压并压透铜片，压头载荷线形增加，压头尖端处位错运动形成的微裂缝在铜片下表面断裂成孔。d微孔区域外塑性变形区内的微裂缝随压头卸载部分扩展至铜片下表面，在微孔附近形成微裂纹。同时由于材料内部晶体结构不同，滑移面和滑移方向均不确定，导致微孔附近微裂纹位置的不确定性。

(a)层错                              (b)位错形核

(c)位错生长封闭                 (d)微裂纹

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通过印压成孔试验可知，随着压头的继续下压，产生的裂纹会随着底部成孔直径的扩大而进一步拓展，最终影响成孔质量（见）。

(a)深小锥孔大口端及成孔表面(b)超微孔小口端及周边裂纹

为了确定最佳的卸载速率，在相同进给量和材料等条件下，让每次试验都在刚刚出孔时刻停止，然后以不同的速率退刀。共进行了8组对比试验，试验结果见表1，从试验结果确定本试验最佳的退刀速率发生在电机转速F=900r/min时。

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金刚石印压微孔过程中微裂纹是应力高度集中下位错运动受阻于晶界和其他晶内结构而产生。压头卸载速率和铜片晶粒的大小直接影响微孔的质量。试验结果表明：当电机转速F=900r/min时，卸载速率最佳；采用细晶铜可以有效抑制微裂纹的萌生和扩展，提高微孔的成形质量。