在汽車油箱生產(chǎn)線的超聲波測(cè)漏設(shè)備標(biāo)定技術(shù)領(lǐng)域，其核心的標(biāo)定樣件為中心帶有微孔≤5μm的薄金屬片，屬于易耗件，需求較大。國(guó)內(nèi)外主要通過(guò)超快激光技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)其微孔加工，但成本較高，因此研究微孔加工技術(shù)具有重要意義。

金剛石納米印壓成孔技術(shù)是一種新的大深徑比超微孔加工方法。該技術(shù)利用金屬薄片底部硬基底的支撐效應(yīng)，在金剛石壓頭納米鈍圓的沖壓作用下，使薄片底部材料側(cè)向塑流，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)底部微孔的成形。該方法不追求金屬薄片厚度方向上超微孔孔徑的一致性，而追求單側(cè)超微孔孔洞的實(shí)現(xiàn)性，因此可以實(shí)現(xiàn)金屬薄片上大深徑比單側(cè)超微孔成形。目前應(yīng)用金剛石壓頭納米印壓成孔技術(shù)已經(jīng)初步實(shí)現(xiàn)了微孔的加工，但對(duì)微孔成形機(jī)理尚不明確，且加工后微孔附近存在微裂紋，影響微孔質(zhì)量。為了獲得良好質(zhì)量、更小孔徑的微孔，必須準(zhǔn)確地掌握印壓成孔的成形機(jī)理。為此本文基于分子動(dòng)力學(xué)仿真研究金剛石納米印壓成孔過(guò)程中微孔的成形機(jī)制及材料的變形過(guò)程，對(duì)微孔附近微裂紋的產(chǎn)生過(guò)程進(jìn)行分析，為金剛石納米印壓成孔機(jī)理研究提供了理論依據(jù)。

1  印壓微孔過(guò)程分析

金剛石納米印壓加工金屬薄片屬于壓力加工的一種工藝方法。晶粒尺寸和卸載過(guò)程直接影響微裂紋的萌生和擴(kuò)展。利用自主開(kāi)發(fā)的金剛石印壓微孔成形裝置在同等試驗(yàn)條件下印壓加工晶粒度不同的銅片，進(jìn)而分析晶粒尺寸和壓頭卸載速率對(duì)微孔成形質(zhì)量的影響。試驗(yàn)裝置如圖1所示。

在理論上來(lái)說(shuō)，較小的圓錐角和鈍圓半徑更利于超微孔的形成，但是壓頭的圓錐角越小，其剛度和穩(wěn)定性越差。因此本文選擇錐角為80°、鈍圓半徑為5.41μm的金剛石圓錐壓頭。直線電機(jī)選擇5nm分辨率的MicroE光柵尺作為閉環(huán)系統(tǒng)，可緊密控制壓頭的下壓量。裝置采用力、聲、光多傳感器原位檢測(cè)技術(shù)，可對(duì)銅片底部成孔時(shí)刻進(jìn)行準(zhǔn)確判斷。采用德國(guó)蔡司公司的EVO-MA25掃描電鏡對(duì)印壓后的銅片超微孔尺度和材料微觀結(jié)構(gòu)損傷進(jìn)行檢測(cè)；采用英國(guó)Scantron公司的Proscan 2100表面粗糙度輪廓測(cè)量?jī)x對(duì)銅片表面輪廓進(jìn)行分析。

1.直線電機(jī)2.角度調(diào)節(jié)臺(tái)3.聲發(fā)射傳感器4.硬質(zhì)玻璃基底5.工作臺(tái)6.測(cè)力儀7.金剛石圓錐壓頭8.銅片9.微視頻顯微鏡10.底座

圖1  金剛石印壓微孔成形裝置

印壓成孔中金屬材料的變形是一個(gè)由量變到質(zhì)變的過(guò)程，從開(kāi)始的晶內(nèi)損傷、裂紋的形成、擴(kuò)展與貫通，直至斷裂成孔。圖2為金剛石納米印壓模型。初始加載時(shí)，金剛石壓頭尖端接觸銅片上表面，壓頭正下方區(qū)域材料先發(fā)生彈性變形。隨著壓頭載荷的增大，材料內(nèi)部應(yīng)力呈線性增大。當(dāng)應(yīng)力超過(guò)材料屈服應(yīng)力時(shí)，開(kāi)始產(chǎn)生塑性變形。塑性變形區(qū)域材料受到錐形壓頭側(cè)向擠壓力發(fā)生側(cè)向流動(dòng)，塑性變形區(qū)內(nèi)材料變得更緊密，產(chǎn)生加工硬化。材料向下流動(dòng)阻力增大，塑性變形區(qū)內(nèi)部分材料被擠壓到銅片上表面，形成材料堆積。當(dāng)金剛石壓頭載荷增大到臨界值時(shí)，材料內(nèi)部彈性區(qū)邊界拉應(yīng)力超過(guò)材料強(qiáng)度極限，壓頭尖端處應(yīng)力高度集中，將產(chǎn)生垂直于材料表面的徑向裂紋。隨著壓頭壓透銅片，徑向裂紋進(jìn)一步擴(kuò)展，最終在銅片下表面形成微孔。

圖2  印壓微孔模型

在卸載階段，塑性變形區(qū)域材料不再產(chǎn)生變形，彈性區(qū)材料向非彈性區(qū)產(chǎn)生彈性回復(fù)。彈性回復(fù)使二者之間相接觸區(qū)域原有應(yīng)力狀態(tài)產(chǎn)生變化，彈性區(qū)邊界的拉應(yīng)力發(fā)生改變，銅片下表面微孔尺寸收縮。非彈性區(qū)受到彈性區(qū)材料的回復(fù)力作用，產(chǎn)生一個(gè)拉應(yīng)力反作用于彈性區(qū)材料，在銅片下表面塑性變形區(qū)邊界處形成平行于銅片下表面的橫向裂紋。圖3為微孔附近的微裂紋情況，可以看到在微孔附近存在微裂紋。微觀裂紋的產(chǎn)生機(jī)制尚不明確，本文借助分子動(dòng)力學(xué)軟件從微觀晶體力學(xué)角度研究微裂紋的形成。

圖3  微孔附近的微裂紋情況

2  印壓微孔過(guò)程的分子動(dòng)力學(xué)模擬分析

圖4為單晶銅納米印壓成孔的分子動(dòng)力學(xué)模型。模型包含銅晶體和圓錐形金剛石壓頭兩部分。工件尺寸為10nm×10nm×2nm。采用共軛梯度法進(jìn)行能量最小化，并在NVE系綜弛豫獲取穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。勢(shì)函數(shù)采用混合勢(shì)，碳原子之間的相互作用采用Tersoff勢(shì)，銅原子之間相互作用采用EAM勢(shì)，碳銅原子之間的相互作用采用Morse勢(shì)。采用中心對(duì)稱參數(shù)（Center-symmetry Parameter，簡(jiǎn)記為CSP）法分析印壓成孔過(guò)程中位錯(cuò)的萌生及生長(zhǎng)過(guò)程。

圖4  納米印壓分子動(dòng)力學(xué)模型

純銅材料為面心立方體晶格，其塑性變形方式為滑移變形。圖5為印壓成孔過(guò)程壓頭的載荷—位移曲線，圖中標(biāo)號(hào)a-d分別對(duì)應(yīng)圖6的CSP原子位錯(cuò)圖，原子的不同灰度代表不同的CSP值。結(jié)合晶體缺陷分析技術(shù)（CSP）辨別工件材料的位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)形式，進(jìn)而解釋壓頭的載荷—位移曲線的變化。初始接觸時(shí)，晶格內(nèi)原子間距離在外力作用下改變，導(dǎo)致晶格畸變。

如圖6a所示，工件進(jìn)入塑性變形階段，壓頭下方區(qū)域晶格沿晶面向一定方向移動(dòng)，產(chǎn)生初始位錯(cuò)，并以層錯(cuò)的形式表現(xiàn)出來(lái)，初始位錯(cuò)在壓頭下方工件材料自由表面處形核并運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致a點(diǎn)處壓頭載荷下降；隨著壓深的增加，層錯(cuò)逐漸累積。如圖6b所示，壓頭下方出現(xiàn)位錯(cuò)形核，位錯(cuò)形核釋放了彈性變形時(shí)累積的應(yīng)變能，使壓頭載荷的降低。

圖5  印壓載荷—位移曲線

如圖6c所示，位錯(cuò)變大，層錯(cuò)區(qū)域變大，壓頭下方出現(xiàn)一個(gè)封閉的梯形位錯(cuò)。位錯(cuò)連續(xù)從自由表面形核，導(dǎo)致壓頭載荷出現(xiàn)小幅振蕩。形核的位錯(cuò)在不同滑移面上運(yùn)動(dòng)，它們相互靠近并發(fā)生交叉滑移，導(dǎo)致加工硬化，壓頭載荷顯著增加。新位錯(cuò)的形成是由于位錯(cuò)相互作用引起局部的應(yīng)力集中，而位錯(cuò)的增多會(huì)導(dǎo)致位錯(cuò)作用的增強(qiáng)，在d點(diǎn)處材料達(dá)到塑性變形極限。泰勒（Taylor）認(rèn)為，除最初的位錯(cuò)外，增殖的位錯(cuò)不能穿過(guò)晶體，而是在晶體內(nèi)部相互牽制。兩個(gè)位錯(cuò)相互越過(guò)所需的應(yīng)力更大。所以當(dāng)一列位錯(cuò)在一個(gè)滑移面上受阻于晶界或其它障礙物時(shí)，若壓頭載荷達(dá)到某一臨界值，這些位錯(cuò)將合并而成為斷裂核心。隨著金剛石壓頭繼續(xù)印壓并壓透銅片，壓頭載荷線形增加，壓頭尖端處位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)形成的微裂縫在銅片下表面斷裂成孔。圖6d微孔區(qū)域外塑性變形區(qū)內(nèi)的微裂縫隨壓頭卸載部分?jǐn)U展至銅片下表面，在微孔附近形成微裂紋。同時(shí)由于材料內(nèi)部晶體結(jié)構(gòu)不同，滑移面和滑移方向均不確定，導(dǎo)致微孔附近微裂紋位置的不確定性。

(a)層錯(cuò)                              (b)位錯(cuò)形核

(c)位錯(cuò)生長(zhǎng)封閉                 (d)微裂紋

圖6  材料內(nèi)部缺陷結(jié)構(gòu)

3  印壓微孔分析

通過(guò)印壓成孔試驗(yàn)可知，隨著壓頭的繼續(xù)下壓，產(chǎn)生的裂紋會(huì)隨著底部成孔直徑的擴(kuò)大而進(jìn)一步拓展，最終影響成孔質(zhì)量（見(jiàn)圖7）。

(a)深小錐孔大口端及成孔表面(b)超微孔小口端及周邊裂紋

圖7  成孔質(zhì)量

為了確定最佳的卸載速率，在相同進(jìn)給量和材料等條件下，讓每次試驗(yàn)都在剛剛出孔時(shí)刻停止，然后以不同的速率退刀。共進(jìn)行了8組對(duì)比試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1，從試驗(yàn)結(jié)果確定本試驗(yàn)最佳的退刀速率發(fā)生在電機(jī)轉(zhuǎn)速F=900r/min時(shí)。

表1  退刀速率對(duì)孔徑的影響

小結(jié)

金剛石印壓微孔過(guò)程中微裂紋是應(yīng)力高度集中下位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)受阻于晶界和其他晶內(nèi)結(jié)構(gòu)而產(chǎn)生。壓頭卸載速率和銅片晶粒的大小直接影響微孔的質(zhì)量。試驗(yàn)結(jié)果表明：當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速F=900r/min時(shí)，卸載速率最佳；采用細(xì)晶銅可以有效抑制微裂紋的萌生和擴(kuò)展，提高微孔的成形質(zhì)量。