複雜環境下微電鑄鎳材料的力學性能與微觀機理研究

《複雜環境下微電鑄鎳材料的力學性能與微觀機理研究》是依託北京理工大學，由隋麗擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：複雜環境下微電鑄鎳材料的力學性能與微觀機理研究
• 依託單位：北京理工大學
• 項目負責人：隋麗
• 項目類別：青年科學基金項目

項目摘要

作為金屬三維微結構加工技術之一，微電鑄加工工藝及微電鑄鎳材料的力學性能分析已成為MEMS領域的研究熱點。由於微鎳材料本身的工藝特點及在特殊場合中套用所面臨的問題，需要對微電鑄鎳材料在複雜環境下（高低溫、高衝擊環境）力學性能的變化規律及物理機制進行研究。結合前期工作，申請者提出以試驗數據為研究依據用微觀結構的演化來解釋材料巨觀性能改變的研究思路。為了探討二者的內在關聯，本課題擬採用相場法和Gurson方法研究複雜環境下材料微觀結構的演化過程，並由演化規律建立材料的多晶體微觀有限元模型，同時利用試驗數據描述材料的巨觀和細觀本構模型，最終形成基於細觀本構模型和顯微結構的複雜環境下微電鑄鎳器件力學性能分析體系。本課題的研究成果可為套用於複雜使用環境中的微鎳器件和結構件的設計分析、失效模式和失效機理等研究提供可靠的分析模型。

結題摘要

由於微鎳材料本身的工藝特點及在特殊場合中套用所面臨的問題，項目組對微電鑄鎳材料在複雜環境下（高低溫、高衝擊環境）力學性能的變化規律及物理機制進行了研究。項目組提出以試驗數據為研究依據用微觀結構的演化來解釋材料巨觀性能改變的研究思路。 本項目首先通過對微電鑄鎳材料的巨觀力學性能測試以及微觀組織結構的測量，探討二者的內在關聯。通過對EBSD得到的晶粒尺寸進行統計，可知3批微電鑄鎳試樣的平均晶粒尺寸依次增大，分別為798.43 nm、848.26 nm和890.04 nm；巨觀力學性能測得3批微電鑄鎳試樣的屈服強度依次減小，分別為539.245 MPa、477.7 MPa和231.98 MPa。由巨觀力學性能和微觀結構的對比可知，微電鑄鎳材料的屈服強度和晶粒尺寸關係符合Hall-Petch關係式，同時，也符合細晶強化理論。 其次，以引信為套用背景，研究複雜環境（高低溫環境、高衝擊環境）對微電鑄鎳材料宏微觀性能的影響。通過EBSD實驗，得出經高低溫貯存後試樣的晶粒尺寸數據，在常溫下，晶粒的平均尺寸約為0.859 μm，-54℃時，晶粒的平均尺寸約為0.824 μm，71℃時，晶粒的平均尺寸約為0.868 μm，在-54℃—71℃的貯存溫度範圍內，材料晶粒平均尺寸與貯存溫度呈現了近似線性的關係；對不同應變率下斷口的晶粒尺寸進行了測量，得出，高應變率下斷口晶粒尺寸比準靜態載入時的斷口晶粒尺寸明顯增加的結論。 再次，利用試驗數據描述材料的巨觀和細觀本構模型，形成基於細觀本構模型和顯微結構的複雜環境下微電鑄鎳器件力學性能分析體系。 最後，採用仿真方法，研究複雜環境下材料微觀結構的演化過程，並由演化規律建立材料的多晶體微觀有限元模型，將織構模型引入到仿真模型中，得出微電鑄鎳材料的彈性模量和屈服強度受織構強度和織構類型雙重因素影響的結論。 本課題的研究成果可為套用於複雜使用環境中的微鎳器件和結構件的設計分析、失效模式和失效機理等研究提供可靠的分析模型。