Establishment of an Experimental Procedure and Analysis of Mechanism of Size Effect in Metal Micro Forming

金屬精微成形技術(metal micro-forming)是目前尚在起步階段的重要精密工業技術，具有成本低、生產效率高等優點，但當尺寸精微化時，材料之機械性質及摩擦特性將產生尺寸效應(size effect)而與巨觀下的表現不同，此效應將導致製程開發與應用上之困難。 故本論文以材料壓縮與拉伸機械性質之尺寸效應為切入點來進行研究，而目前並未有一套完整之對於精微實驗實驗規範可依循，本文先規劃精微實驗實驗規範之建立方法，再以C2720黃銅(Cu63 %、Zn37%)為實驗材料，完整地建立了C2720黃銅材料在精微尺寸下圓柱壓縮實驗及拉伸實驗之實驗規範，遵循此規範來進行精微實驗，其實驗結果來探討尺寸效應之機制才具有意義。接著以趨勢線定量分析法(curve fitting method)來分析所得之實驗結果，歸納出材料尺寸效應以及晶粒效應之經驗公式，以提供各界對於C2720黃銅材料之塑流應力曲線一套簡易之預測方法，並完整地建立C2720黃銅材料壓縮及拉伸實驗塑流應力曲線資料庫，將其置於本文附錄中以提供製程上之參考。最後，我們將觀察實驗試片之微結構的變化並配合微硬度實驗之實驗結果，探討經驗公式之理論模式，以完整瞭解尺寸效應之機制。本論文的成果提供精微金屬成形技術的製程開發上，一套評估材料機械性質之尺寸效應的方法，藉以用於未來改善缺陷之評估以及成形模具設計之參考。Metal micro-forming process is a developing technology in precision manufacturing. This technology has many advantages over MEMS, like lower cost, efficiently producing, etc. However, the material properties change obviously when the dimensions reduce to the micro level, such as stress and friction. The change because of reduced dimensions is called “Size Effect.” The effect results in the difficulty to begin with further research work. The research on metal micro-forming has been developed more than ten years but not have a complete method including experimental and theoretical analysis. Hence, this paper is beginning on the literature survey, especially in the fields of micro test method and size effect to material properties. After collect and analyze the contents, we experiment several simplified tests to realize the influence of size effect. According to the experience of early tests and analysis of the relevant parameters, we propose the complete way to establish the experimental procedures in compression and tension experiment of micro specimens. The data from this process is trustworthy to research size effect. In the study of size effect, we choose the C2720 brass material and get the compression and tension flow stress curve under different dimensions and grain size from experimenting. By using the curve fitting method to analyze the data, we can generalize an experience formula about size effect between dimension and grain size. The mechanism of size effect on compression and tension properties of C2720 brass material is completely investigated in this paper. In addition, we exhaustively discuss the feasibility of size effect with microstructure observing and micro Vickers’ hardness experiment.目錄 圖目錄 ----------------------------------------------------------------iv 表目錄 ---------------------------------------------------------------viii 第一章 緒論 ----------------------------------------------------------1 1.1 研究背景與目的 --------------------------------------------1 1.2 研究方法 ----------------------------------------------------2 1.3 文獻收集整理與分析 ---------------------------------------5 1.4 論文總覽 ----------------------------------------------------------16 第二章 金屬精微成形實驗方法與規範建立之規劃 ---------18 2.1 文獻中實驗方法之檢討 -----------------------------------------18 2.1.1 拉伸實驗方法之檢討分析 ------------------------------19 2.1.2 圓柱壓縮實驗方法之檢討分析 ------------------------ 22 2.2 實驗規範建立之規劃 ------------------------------------------- 25 2.2.1 實驗規範建立之方法 ------------------------------------ 25 2.2.2 拉伸實驗實驗規範建立之規劃 ------------------------ 27 2.2.3 圓柱壓縮實驗實驗規範建立之規劃 ------------------ 29 第三章 拉伸實驗實驗規範之建立 ----------------------------------33 3.1 實驗材料之選取 --------------------------------------------------33 3.2 實驗設備討論 ---------------------------------------------------- 35 3.2.1 MTS810實驗設備之討論-------------------------------- 36 3.2.2 改善實驗設備精度之方法 ----------------------------- 39 3.2.3 實驗之控制模式與沖頭速度之選擇 ----------------- 42 3.2.4 不同夾頭選取之注意事項 ------------------------------ 43 3.3 實驗流程之規範建立 --------------------------------------------46 3.3.1 實驗試片尺寸大小之選取 ------------------------------ 47 3.3.2 基準尺寸之選取 ------------------------------------------ 51 3.3.3 特徵尺寸之選擇 ------------------------------------------ 54 3.3.4 試片退火之注意事項 ------------------------------------ 56 3.3.5 後處理之計算 --------------------------------------------- 59 3.3.6 拉伸實驗實驗規範之建立方法 ------------------------ 61 第四章 圓柱壓縮實驗實驗規範之建立 ---------------------------64 4.1 實驗設備 -----------------------------------------------------------64 4.1.1 實驗設備之選用 ------------------------------------------ 65 4.1.2 實驗控制模式與沖頭速度之選擇 --------------------- 67 4.2 實驗流程之規範建立 ------------------------------------------- 68 4.2.1 基準尺寸之選取 ------------------------------------------ 68 4.2.2 特徵尺寸之選擇 ------------------------------------------ 70 4.2.3 試片前處理之注意事項 --------------------------------- 74 4.2.4 圓柱壓縮實驗實驗規範之建立方法 ------------------ 75 第五章 經驗公式之推導與尺寸效應機制之研究 -------------78 5.1 經驗公式之推導 --------------------------------------------------78 5.1.1 圓柱壓縮實驗晶粒效應經驗公式之分析 ------------ 79 5.1.2 圓柱壓縮實驗尺寸效應經驗公式之建立 ------------ 88 5.1.3 拉伸實驗晶粒效應與尺寸效應之研究 --------------- 93 5.2 尺寸效應機制之研究 --------------------------------------------96 5.2.1 圓柱壓縮實驗之微硬度實驗與分析 ------------------ 97 5.2.2 拉伸實驗之微硬度實驗與分析 -----------------------103 第六章 結論 ---------------------------------------------------------------107 參考文獻 附錄1—C2720黃銅材料之材料性質資料庫 附錄2—C2720黃銅材料之金相照片 圖目錄 圖1-1 IC導線架 ----------------------------------------------------------------2 圖1-2 精微成形技術所面對的問題 ----------------------------------------5 圖1-3 CuZn15材料壓縮實驗之尺寸效應 -------------------------------10 圖1-4 CuNi18Zn20材料拉伸實驗之尺寸效應 -------------------------11 圖1-5 CuZn15彎曲應力與λ的關係 -------------------------------------11 圖1-6 結晶大小改變對鋁箔的彎曲應力影響 --------------------------12 圖1-7 純銅材料壓縮實驗之尺寸效應 -----------------------------------12 圖1-8 CuZn30材料壓縮實驗之尺寸效應 -------------------------------13 圖1-9 純銅材料拉伸實驗之尺寸效應 -----------------------------------13 圖1-10 CuZn30材料拉伸實驗之尺寸效應 ----------------------------- 14 圖1-11 表面幾何模型圖 ----------------------------------------------------14 圖1-12 理論與實驗之驗證 -------------------------------------------------15 圖1-13 硬度隨應變增加而增加之示意圖 -------------------------------15 圖1-14 硬度與流應力之比例關係圖 -------------------------------------16 圖2-1 定位銷 ----------------------------------------------------------------- 20 圖2-2 油壓夾頭 -------------------------------------------------------------- 20 圖2-3 t0.1mm之拉伸實驗工程應力應變曲線圖 -----------------------21 圖2-4 D1mm圓柱壓縮實驗之工程應力應變曲線圖 ------------------23 圖2-5 圓柱壓縮實驗示意圖 -----------------------------------------------24 圖2-6 λ＝1尺寸圖 ---------------------------------------------------------24 圖3-1 銅鋅合金之相圖 ----------------------------------------------------- 34 圖3-2 銅鋅合金之機械性質 -----------------------------------------------35 圖3-3 MTS810萬能材料試驗機 ------------------------------------------38 圖3-4 t0.1mm之拉伸實驗工程應力應變曲線圖 -----------------------39 圖3-5 INSTRON 3365材料試驗機 ---------------------------------------42 圖3-6 不同沖頭速度之工程應力應變曲線比較圖 ------------------- 43 圖3-7 固定銷之試片設計----------------------------------------------------45 圖3-8 油壓夾頭試片設計----------------------------------------------------45 圖3-9 兩種夾持方式實驗數據比較(t=1mm) ----------------------------46 圖3-10 兩種夾持方式實驗數據比較(t=0.1mm) ------------------------46 圖3-11 縮小試片圖(固定銷) ------------------------------------------------48 圖3-12 縮小試片圖(油壓夾頭) -------------------------------------------- 48 圖3-13 完整尺寸與縮小試片實驗數據比較圖 -------------------------48 圖3-14 T=1mm、0.5mm、0.25mm之塑流應力圖 --------------------50 圖3-15 縮小gauge-length之寬度尺寸示意圖 ------------------------ 53 圖3-16 縮小與未縮小寬度尺寸之塑流應力比較圖 ------------------ 56 圖3-17 箱型高溫爐 ----------------------------------------------------------58 圖3-18 熱處理鋼筒、坩堝 --------------------------------------------------58 圖3-19 拉伸實驗數據匯出圖(1) -------------------------------------------60 圖3-20 拉伸實驗數據匯出圖(2) -------------------------------------------60 圖3-21 拉伸實驗數據匯出圖(3) -------------------------------------------61 圖3-22 拉伸實驗數據匯出圖(4) -------------------------------------------61 圖4-1 2.5KN荷重元件 ------------------------------------------------------ 66 圖4-2 D5mm與D2mm塑流應力比較圖 ------------------------------- 70 圖4-3 D5mm、D4mm、D3mm塑流應力比較圖 ------------------------70 圖4-4 壓縮試片規劃圖 ---------------------------------------------------- 72 圖4-5 D5mm不同高度塑流應力比較圖 -------------------------------- 74 圖4-6 相同高度D5與D2塑流應力比較圖 --------------------------- 74 圖5-1壓縮完後之800℃退火圓柱試片圖 -------------------------------79 圖5-2 趨勢線作法-------------------------------------------------------------85 圖5-3 D=5mm不同退火條件下n值關係 -------------------------------86 圖5-4 D＝2mm、1.5mm、1mm重建塑流應力曲線比較圖 ---------91 圖5-5 轉換過之D＝10mm與D＝5mm塑流應力曲線比較圖 -----92 圖5-6 圓柱壓縮實驗尺寸效應圖 -----------------------------------------92 圖5-7 晶粒尺寸＝厚度之塑流應力曲線比較圖 -----------------------95 圖5-8 d/t與應力比值關係圖 ---------------------------------------------95 圖5-9 表面塑性層效應之示意圖 -----------------------------------------97 圖5-10 Mitutoyo HM-113維式硬度機 -----------------------------------99 圖5-11 各尺寸之應力分佈圖 --------------------------------------------101 圖5-12 各尺寸之金相觀察圖 --------------------------------------------102 圖5-13 不同d/t之應力分佈圖 -----------------------------------------106 表目錄 表2∼1 壓縮試片規劃表 ---------------------------------------------------30 表3∼1 不同設備之規格比較表 ----------------------------------------- 41 表5∼1 圓柱棒材晶粒大小表 ---------------------------------------------86 表5∼2 D＝5mm不同晶粒之n值計算值 ------------------------------87 表5∼3 各尺寸理論值與實驗值之最大及最小誤差表 ---------------87 表 5∼4 板材晶粒大小表 --------------------------------------------------92 表5∼5 圓柱壓縮實驗各尺寸應力比值表 ------------------------------93 表5∼6 實驗值與公式計算值之誤差表 ---------------------------------93 表5∼7 不同d/t之應力比值表 -------------------------------------------9