Page 93 - 机械工程材料2024年第十一期

张健宇，等：冷轧和退火对压延铜箔残余应力和力学性能的影响

后平均耐弯折疲劳寿命的延长主要归因于3个因素：
首先，减薄效应使得铜箔的比表面积显著增大，材料
的尺寸比例改变，使应力分布更加均匀，从而降低
了弯折过程中裂纹或断裂发生的概率；其次，轧制
使得压延铜箔的晶粒逐渐细化，细小的晶粒更易变
形，能更均匀地分布应力，减少了晶粒间的局部应
力集中，使得裂纹萌生的临界值提高；最后，轧制使
图 4 铜箔母材和不同加工状态压延铜箔中不同织构的占比 得铜箔的晶粒在厚度方向逐渐减薄，相同厚度内晶
Fig. 4 Proportion of different textures of copper foil base metal and 界数量逐渐增加，对位错滑移的阻碍作用增强，从
rolled copper foil in different processing states ［19］
而抑制了裂纹扩展 。与轧制态压延铜箔相比，退
错网络，阻碍晶粒之间的相对运动和应力传递，导 火态压延铜箔的平均耐弯折疲劳寿命的延长则可归
致应力累积，因此，冷轧后压延铜箔表面残余应力增 因于以下 3个因素：一是退火处理减小了轧制过程
大。在随后退火处理过程中铜箔内部原子获得能量， 中铜箔内部积累的残余应力，从而降低了应力集中，
克服相邻原子间的势垒而发生扩散。原子的扩散会 提升了材料的耐久性和抗变形能力；二是退火导致
使由轧制引起的原子不均匀分布导致的应力集中降 的再结晶减少了材料内部的位错和缺陷，使得铜箔
低，同时也使晶格错配降低，部分晶粒发生重新排
的微观结构更加均匀和稳定，从而有助于材料在弯
列，形变织构向退火织构转变，原本集中的应力得到
折过程中的均匀变形，降低裂纹产生的风险；三是
释放，新的晶格排列结构和再结晶形成的新晶界能 退火使得Cube织构增加，晶粒尺寸增大，裂纹萌生
更均匀地分配应力 ［18］ ，因此退火态压延铜箔的表面
的临界值增大，从而进一步延长了平均耐弯折疲劳
残余应力相比轧制态降低。 ［20］
寿命 。
铜箔母材以及轧制态和退火态压延铜箔的硬度
由图5可知， 轧制态压延铜箔的断后伸长率从铜
分别为42，135，58 HV。可见将铜箔从150 μm厚轧
箔母材的39％断崖式下降至1.19％， 抗拉强度由铜
制到35 μm厚后， 其硬度急剧增加，经过退火处理后，
箔母材的247 MPa增至442 MPa。轧制过程是一个
其硬度显著降低但仍高于铜箔母材。在轧制过程中，
剧烈的塑性变形过程，在此过程中铜箔在高压力和
铜箔经历了强烈的塑性变形，表面残余应力急剧增
高应变速率作用下的变形率高达76％。在高变形条
加，使得受到外力作用时铜箔很难发生变形，同时轧
件下，铜箔内部晶粒产生大量位错和晶格畸变，导致
制过程中的压力和剪切力作用会使晶粒发生破碎和
晶粒的细化和晶界密度增加，位错运动受到的阻碍
细化，单位体积内晶界的数量增加，对位错运动的阻
增加，从而显著提升了铜箔的硬度和强度。但剧烈
碍作用增强，需要更大的外力才能使材料发生变形，
的塑性变形也会导致铜箔的塑性降低。由图5还可
因此硬度急剧增加。在随后退火处理过程中，铜箔
知，经过退火处理之后，断后伸长率从1.19％回复至
发生再结晶，晶粒重新排列形成新的晶粒，从而消除
10.01％， 抗拉强度从442 MPa下降为179 MPa。在
或降低了轧制时产生的畸变，轧制过程中产生的残
退火过程中，铜箔内部部分原子重新排列，残余应力
余应力降低，同时晶粒长大使得晶界数量减少，晶界
对位错运动的阻碍作用降低，因此退火态压延铜箔
硬度相比于轧制态降低。较薄厚度下材料的表面积
与体积之比（即比表面积）较大，表面能较大，在受
到外力作用时相比于较厚材料更难发生变形，因此
35 μm厚退火态压延铜箔的硬度与150 μm厚铜箔母
材相比增加了约38％。
铜箔母材以及轧制态和退火态压延铜箔的平均
耐弯折疲劳寿命分别为7，15，33次。可见将150 μm
图 5 铜箔母材和不同加工状态压延铜箔沿轧制方向的拉伸性能
厚铜箔冷轧至35 μm厚度后，其平均耐弯折疲劳寿
Fig. 5 Tensile properties of copper foil base metal and rolled copper
命显著延长，再经退火处理后再次延长。冷轧处理 foil in different processing states along rolling direction

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