温度及应变速率对SnCu0.7合金力学性能的影响.pdf

第 50 卷 第 3 期有色金属设计Vol.50 No.32023 年 9 月Nonferrous Metals DesignSept.2023收稿日期:2022-10-17作者简介:李润萍(1996),女,云南保山人,硕士。主要研究方向:锡合金电子焊料。通信作者:张欣(1975),男,甘肃庆阳人,高级工程师。主要研究方向:无铅焊接材料研发。温度及应变速率对 SnCu0.7 合金力学性能的影响李润萍,于梦飞,卢红波,秦俊虎,张欣(云南锡业锡材有限公司,云南 昆明 650501)摘要:SnCu0.7 合金作为最有潜力替代 Sn-Pb 焊料合金的材料之一,广泛应用于锡丝领域,对其塑形加工性能的研究越来越受关注。此次研究设计了不同试验温度和不同应变速率下SnCu0.7 合金的力学性能试验,分析其对 SnCu0.7 合金断裂机制的影响。结果表明:(1)SnCu0.7 合金在 182 试验温度下得到的数据波动较小,数据较稳定,试验误差较小;(2)应变速率增加,SnCu0.7 合金的抗拉强度增加,延伸率先增大后减小,在 182 的试验温度下,在应变速率为 0.003 s-1时,抗拉强度达到最大,为 39.13 MPa;在应变速率为 0.002 s-1时,延伸率达到最大,为 53.68%;(3)在 232 的试验温度下,应变速率为 0.001 s-1时,SnCu0.7 合金的断裂方式属于典型的韧性断裂,随应变速率的增加,断裂方式有从韧性断裂向解理断裂过渡的趋势;当应变速率为 0.003 s-1时,SnCu0.7 合金的断裂方式属于以韧性断裂为主的韧脆混合断裂。关键词:SnCu0.7;应变速率;力学性能;断口形貌中图分类号:TG406文献标识码:A文章编号:1004-2660(2023)03-0044-07Effect of Temperature and Strain Rate on Mechanical Properties of SnCu0.7 AlloyLI Runping,YU Mengfei,LU Hongbo,QIN Junhu,ZHANG Xin(Yunnan Tin Co.,Ltd.,Kunming Yunnan 650501,China)Abstract:As one of the most promising materials to replace Sn-Pb solder alloy,SnCu0.7 alloy is widely used in tin wire field.The research on its plastic processing performance has attracted more and more attention.In this study,the mechanical properties of SnCu0.7 alloy at different test temperatures and strain rates were de-signed to analyze its effect on fracture mechanism.The results show that:(1)The data obtained for SnCu0.7 alloy at the test temperature of 182C fluctuates slightly,with stable data and small experimental error;(2)The tensile strength of SnCu0.7 alloy increases with the increase of strain rate,and the elongation first increases and then decreases.At the test temperature of 182 C,when the strain rate is 0.003 s-1,the tensile strength reaches the maximum,which is 39.13 MPa;the maximum elongation is 53.68%at a strain rate of 0.002 s-1;(3)At the test temperature of 232 C,when the strain rate is 0.001 s-1,the fracture mode of SnCu0.7 alloy belongs to typical ductile fracture.With the increase of strain rate,the fracture mode tends to transition from ductile fracture to cleavage fracture;when the strain rate is 0.003 s-1,the fracture mode of SnCu0.7 alloy be-longs to ductile-brittle mixed fracture.Keywords:SnCu0.7;Strain rate;Mechanical properties;Fracture morphology李润萍,于梦飞,卢红波,等:温度及应变速率对 SnCu0.7 合金力学性能的影响0 引 言电子焊料无铅化已成为整个行业发展的必然趋势,Sn-Ag、Sn-Cu、Sn-In、Sn-Bi、Sn-Zn 几个系列成为近几年的研究热点,其中 Sn-Ag 系和Sn-Cu 系焊料合金的覆盖面比较广,在锡条、锡丝、锡球、锡膏及 BGA 等产品中都有涉及到,是最有潜力替代 Sn-Pb 焊料合金的材料1-3。但 Ag的价格比 Cu 要高得多,Sn-Cu 系焊料合金不仅有明显的价格优势,而且在熔点、抗氧化性、润湿性、力学性能等方面也不比 Sn-Ag 系差,因此Sn-Cu 系焊料合金备受青睐4-6。近年来,焊锡丝用于电子封装利用是行业内的共性需求,对其塑形加工性能的研究也越来越受关注。低成本的 Sn-0.7Cu 合金焊锡丝也成为了研究重点,在焊锡丝的挤压、辊扎及拉丝等工艺中,应变速率是比较重要的影响因素之一,应变速率会影响焊料合金的抗拉强度、屈服强度及延伸率率等力学性能,很多焊料合金在变形甚至塑性断裂的过程中,随着应变速率的增加,焊料合金的抗拉强度和屈服强度也会随之增加7,8。Chen 等人9,10研究了在不同的应变速率(0.000 4,0.002,0.01,0.05 s-1)及不同的温度(25,75,125)条件下的力学性能分析。结果表明,Sn-58Bi 焊料合金的抗拉强度随应变速率的增加及测试温度的降低而增大;延伸率随应变速率的提高而减小,随温度的升高而增大。刘晨等人11也研究了在应变速率分别为 0.000 1,0.001,0.01 及0.1 s-1下的力学性能。结果显示,随着应变速率的增大,焊料合金的抗拉强度显著增强,但延伸率并未随应变速率的变化而呈规律性变化,充分说明了 Sn-xBi 合金的抗拉强度具有显著的应变速率敏感性。无铅焊料合金在拉伸过程中,受外界应力的影响,会发生局部断裂,而断裂包含以下 2 个基本过程:裂纹的萌生、裂纹的扩展。合金的断裂方式又可以分为沿晶断裂和穿晶断裂。穿晶断裂是裂纹晶粒内部穿过而产生的断裂,穿晶断裂既可以是韧性断裂,也可以是脆性断裂;而沿晶断裂则是裂纹从晶界处扩展产生的断裂,沿晶断裂通常都是脆性断裂。断裂类型通常有以下 3 种:韧性断裂。其微观断口形貌通常呈现出韧窝数量较多,韧窝尺寸均匀,韧窝较深等显著特征;解理断裂是典型的脆性断裂,解理断裂通常会有解理面产生,即微观断口形貌通常呈现出解理台阶、河流花样及鱼骨状花样等特征;准解理断裂是介于韧性断裂与解理断裂之间的一种过渡性断裂方式,准解理断裂的微观断口形貌中既会有少量较浅的韧窝,还会呈现出撕裂棱、河流花样及舌状花样等特征,表现为脆性断裂的特点,断口比较平整12-15。目前关于 Sn-Cu 焊料合金变形及断裂机制的研究较少,温度及应变速率是控制变形速度及断裂方式的主要因素16,但其微观断裂机制的研究还不够深入。因此,该研究设计了不同试验温度及不同应变速率下 SnCu0.7 合金的力学性能试验,将展开试验温度与应变速率对 SnCu0.7 合金断裂机制的分析。1 试验1.1 试样制备将纯锡球(99.90AA)、中间合金(SnCu10)按质量比计算后进行准确称量,称量后先将纯锡球(99.90AA)放入无铅熔锡炉(型号:SM-600)中,将 温 度 调 至 320,熔 化 后 加 入SnCu10,保温 1 h。将搅拌均匀后的熔融金属倒入到成型模具中,浇铸成 SnCu0.7 合金的标准拉伸试棒,浇铸前先将模具进行预热,再进行浇铸,每种不同条件至少准备 5 根拉伸试棒。1.2 性能测试采用微电子控制万能材料试验机(型号:REGER)进行 SnCu0.7 合金的拉伸试验,试验温度为 182、232 及 282,应变速率为0.001,0.002 及 0.003 s-1。进行试验前,需要把浇铸得到的 SnCu0.7 合金拉伸试棒放置于满足试验温度的环境中 30 min 以上,拉伸试棒的标距为50 mm,标距内的直径为 100.1 mm。采用场发射扫描电子显微镜(型号:日立 SU8010)进行SnCu0.7 合金拉伸后的微观断口形貌分析。2 结果与讨论2.1 温度对 SnCu0.7 合金力学性能的影响SnCu0.7 合金在不同温度下的抗拉强度见表1,应变速率为 0.001 s-1,每个温度测试 10 个样品。由表 1 可见,温度为 182 时,抗拉强度在 35.5035.93 MPa 范围内,波动较小;温度为54有色金属设计第 50 卷232 时,抗拉强度的最大值和最小值分别为36.18 MPa 和 34.11 MPa,其余数值均在 34.0734.95 MPa 范围内,波动也较小;温度为 282 时,抗拉强度在 33.1235.57 MPa 范围内,波动较大。SnCu0.7 合金在不同温度下的抗拉强度变化曲线见图 1,当测试温度为 182 时,抗拉强度曲线比较平缓,抗拉强度值比较稳定,说明实验误差较小;而温度为 282 时,抗拉强度曲线上下波动较明显,抗拉强度不稳定,说明试验误差较大。表 1 不同温度下的抗拉强度Tab.1 Tensile strength at different temperatures 抗拉强度/MPa温度/1234567891018235.9135.9335.7635.5535.5535.5535.8535.5035.635.7623234.6534.9135.8236.1834.1134.5934.0734.7234.3434.9528234.3234.3335.5735.4735.4133.6133.1235.0634.9935.32图 1 不同温度下的抗拉强度Fig.1 Tensile strength at different temperatures SnCu0.7 合金在不同温度下的拉伸曲线见图2,应变速率为 0.001 s-1,每个测试温度选取了 5组数据。由图 2(a)-(c)可知,3 个不同测试温度下的 SnCu0.7 合金先发生弹性变形,在力值达到最大后,拉伸便进入缩颈变形阶段,最终SnCu0.7 合金试样产生局部裂纹直至断裂。虽然在拉伸曲线中没有观察到明显的屈服平台,但不同测试温度下的 SnCu0.7 合金都发生了明显的塑性变形,均为韧性断裂17,18。此外,应变速率不变,随着测试温度的升高,拉伸曲线越来越分散,特别是在 282 时,波动较大,说明在 282 温度下得到的数据不稳定,容易造成试验误差。(a)182(b)232(c)282图 2 不同温度下的拉伸曲线Fig.2 Tensile curves at different temperatures SnCu0.7 合金在不同温度下的断口形貌见图3,应变速率为 0.002 s-1。从图 3(a)-(c)中可见,不同温度下的 SnCu0.7 合金断口形貌均有大量的韧窝,韧窝尺寸较小且分布均匀。韧窝是韧性断裂的特征之一,表明此时合金既有一定的强度,也表现出了良好的塑性,属于典型的韧性64李润萍,于梦飞,卢红波,等:温度及应变速率对 SnCu0.7 合金力学性能的影响断裂19-21。SnCu0.7 合金在外力作用下,会发生不同程度的变形,此时位错滑移机制起主导作用,随着 外 力 的 增 加 并 超 过 Sn 基 体 材 料 与Cu6Sn5 化合物的结合强度时,二者会在结合界面处发生分离,形成微孔。随着应力的不断增强,微孔不断长大,互相吞并,微孔中的裂纹进一步扩展,从而导致 SnCu0.7 合金材料缩颈和断裂,因此出现较多的韧窝22。此外,随着试验温度的升高,韧窝尺寸增大,深度增加,说明 SnCu0.7合金的塑性增强23。(a)182(b)232(c)282图 3 不同温度下的断口形貌Fig.3 Fracture morphology at different temperatures2.2 应变速率对 SnCu0.7 合金力学性能的影响SnCu0.7 合 金 在 0.001s-1、0.002s-1、0.003s-1应变速率下的抗拉强度见图 4。由图 4 可知,SnCu0.7 的抗拉强度随着应变速率的增加而增大,在 182 的试验温度下,应变速率为 0.003 s-1时,抗拉强度达到最大,为 39.13 MPa。随着应变速率的增加,SnCu0.7 焊料合金的抗拉强度均呈增长趋势,这可能与晶粒的位错运动有关。当应变速率较低时,晶粒或者第二相内部的位错较少,相应的抗拉强度较小;当应变速率增加时,晶粒或者第二相内部形成大量的位错,变形后期位错数量不断增多,导致 SnCu0.7 合金的抗拉强度增加24。图 5 中 SnCu0.7 合金的最大载荷变化规律与图 4 一致。图 4 不同应变速率下的抗拉强度Fig.4 Tensile strength at different strain rates图 5 不同应变速率下的最大载荷Fig.5 Maximum load at different strain rates SnCu0.7 合金在不同应变速率下的延伸率见图 6,应变 速 率 分 别 为 0.001 s-1、0.002 s-1、0.003 s-1。SnCu0.7 的 延 伸 率 在 18 2、232 及 282 3 个不同下温度的变化规律一致,但随着应变速率的增加,SnCu0.7 合金的延伸率先增大后减小,在 182 的试验温度下,应变速率为 0.002 s-1时,延伸率达到最大,为53.68%。这可能是由于随着 SnCu0.7 合金应变74有色金属设计第 50 卷速率的增加,使得 SnCu0.7 合金材料内部的瞬时应变量骤然加剧,位错增殖速率加快,从而使位错运动的阻力增大,使材料内部晶粒塞积,致使材料加工硬化,从而降低了 SnCu0.7 合金的塑性,最终导致 SnCu0.7 合金的延伸率下降24。图 6 不同应变速率下的延伸率Fig.6 Elongation at different strain rates SnCu0.7 合金在不同应变速率下的拉伸曲线见图 7,温度为 182。由图 7(a)可以看出,0.001 s-1速率下的拉伸曲线有部分重合。由图 7(b)可以看出,0.002 s-1速率下的拉伸曲线比较离 散。由 图 7(c)的 拉 伸 曲 线 可 以 看 出,SnCu0.7 在 0.003 s-1速率下断裂特征比较明显,拉伸曲线中位移长度随着应变速率的增加而变短,塑性降低。SnCu0.7 合金在不同应变速率下的断口形貌见图8,温度为232。从图8 中可见,SnCu0.7 合金的断裂是典型的韧性断裂,随着应变速率的增加,SnCu0.7 合金有从韧性断裂向解理断裂转化的趋势。图 8(a)-(b)为 0.001 s-1和 0.002 s-1应变速率下的断口形貌,韧窝较为密集,韧窝深度较深,呈现了典型的韧性断口,属于韧性断裂,说明在应变速率较低的条件下,SnCu0.7 合金的塑性较好25,26。图 8(c)为 SnCu0.7 合金在 0.003 s-1应变速率下的断口形貌,从图中可以观察到部分区域存在解理平面,随着解理台阶的出现,韧窝变得小而浅,属于以韧性断裂为主的韧脆混合断裂27-30。(a)应变速率为 0.001 s-1(b)应变速率为 0.002 s-1(c)应变速率为 0.003 s-1图 7 不同应变速率下的拉伸曲线Fig.7 Tensile curves at different strain rates(a)应变速率为 0.001s-1(b)应变速率为 0.002s-1(c)应变速率为 0.003s-1图 8 不同应变速率下的断口形貌Fig.8 Fracture morphology at different strain rates84李润萍,于梦飞,卢红波,等:温度及应变速率对 SnCu0.7 合金力学性能的影响4 结 语(1)SnCu0.7 合金在 182 试验温度下得到的数据波动较小,数据较稳定,试验误差较小。(2)在 182、232 及 282 试验温度下,应变速率不变,SnCu0.7 合金的断裂方式均为韧性断裂。(3)应变速率增加,SnCu0.7 合金的抗拉强度增加,延伸率先增大后减小。在 182 的试验温度下,应变速率为 0.003 s-1时,抗拉强度达到最大,为 39.13 MPa;应变速率为 0.002 s-1时,延伸率达到最大,为 53.68%。(4)在 232 的试验温度下,应变速率为0.001 s-1时,SnCu0.7 合金的断裂方式属于典型的韧性断裂,随着应变速率的增加,断裂方式有从韧性断裂向解理断裂过渡的趋势;当应变速率为 0.003 s-1时,断裂方式属于以韧性断裂为主的韧脆混合断裂。参考文献:1唐坤,闫焉服,郭晓晓,等.微量 Ag 对 Sn0.7Cu 力学性能影响J.河南科技大学学报(自然科学版),2010,31(03):4-7.2Shen J,Pu Y,Wu D,et al.Effects of minor Bi,Ni on the wetting properties,microstructures,and shear properties of Sn-0.7Cu lead-free solder jointsJ.The Minerals,Met-als&Materials Society,2015,9:1572-1580.3张彦娜,金鸿.微量 Ag 对 Sn-0.7Cu-0.3Ni 焊料微观组织和性能的影响J.热加工工艺,2012,41(19):3.4陈东东,滕媛,白海龙,等.铈 Sn-0.7Cu 焊料合金性能的影响J.中国稀土学报,2019,37(01):70-75.5陈东东,滕媛,白海龙,等.Ni 元素对 SnCu0.7 焊料合金性能的影响J.有色金属工程,2019,9(02):33-37.6严继康,陈东东,甘有为,等.P 元素对 Sn-0.7Cu 焊料合金性能的影响J.材料科学与工艺,2019,27(05):39-43.7董刘颖,李秋梅,马龙飞,等.应变速率对 6082 铝合金拉伸性能及断口形貌的影响J.热处理技术与装备,2020,41(02):14-17.8秦俊虎,朱文嘉,于梦飞,等.冷却方式和应变速率对SnBi36Ag0.5 合金力学性能的影响J.电子元件与材料,2022,41(05):514-519.9Chen X,Zhou J,Xue F et al.Mechanical deformation be-havior and mechanism of Sn-58Bi solder alloys under dif-ferent temperatures and strain ratesJ.Materials Science and Engineering A,2016,662:251-257.10闫丽静,周敏波,赵星飞.凝固条件和应变速率对 Sn-58Bi 钎料拉伸性能和断裂行为的影响J.焊接学报,2019,40(05):79-83.11刘晨,罗晓斌,彭巨擘,等.Sn-Bi 二元合金应变速率敏感性的研究J.电子元件与材料,2022,41(07):763-769.12罗保民.A1、Si 对低锡 Cu-Ni-Sn 合金微观组织和力学性能的影响D.华南理工大学,2019.13陈雷.AZ80 镁合金的钕、锡微合金化及组织性能研究D.大连理工大学,2017.14杨钢.Y、Bi 元素对含锡 AZ80 镁合金组织及性能的影响D.重庆大学,2015.15Li L G,Song B X,Liang Z,et al.Effect of alloying ele-ments on properties and microstructures of SnAgCu soldersJ.Microelectronic Engineering,2010,87(11):2025-2034.16梁斌,胡鹏,聂源,等.温度和加载率对 Sn-58Bi 合金力学性能影响试验研究J.功能材料,2021,52(01):1145-1155.17徐衡,罗登俊,颜炎洪,等.微量元素添加对多元 Sn-Bi 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亚琛总部Fig.18 BABORI headquarters in aachen,germany图 19 三亚的亚琛总部Fig.19 Aachen headquarters in sanya3 结 语建筑设计是美与理性并存的,建筑的设计是需要多方思考的,而材料的考量就是其中一个方面,新型材料的应用也是时代发展的趋势,新型材料在不同的领域赋予设计师不同的使命,殊途同归的是设计师在使用材料的时候应当明确新材料的特点,将使用性和美观性赋予设计作品中。随着现代建筑不断崛起,设计师也都各具自己独特的风格和理念,有日本建筑师隈研吾研究材料无限可能性的“微建筑”思想还有与周围环境融于一体的“负建筑”理念,也有中国第一位获得普利兹克奖建筑师王澍将废旧材料二次使用的环保理念等等,他们都有自己的设计理念,然而他们都必然对材料的思考和了解是到位的,例如隈研吾对材料的使用会就地取材,在注重当地文化的同时也把握材料的特性将其材料特性应用于设计中。目前,新型材料的研发是至关重要的,建筑与人的生活息息相关,设计师必须从设计风格以及施工所用的材料还有美观度等多方面出发,尽可能发掘建筑材料在设计中的可能性。参考文献:1梁岩.创新视角下材料在家具设计中的应用J.包装工程,2021,42(06):295-298.DOI:10.19554/ki.1001-3563.2021.06.042.2None.发泡陶瓷应用领域简介J.砖瓦,2019(08):79-80.3卢亚,余玲.透光混凝土在景观设计中的应用J.绿色科技,2021,23(17):59-63.DOI:10.16663/ki.lskj.2021.17.017.4杨晓亮.透光混凝土材料的创意摆件设计研究D.四川师范大学,2019.5卢亚,余玲.透光混凝土在景观设计中的应用J.绿色科技,2021,23(17):59-63.(上接第 49 页)25Silva B L,Reinhart G,Nguyen-Thi H,et al.Microstructural development and mechanical properties of a near-eutectic directionally solidified Sn-Bi solder alloyJ.Materials 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