随着机械产品的微型化进程,微冲裁已经成为了现代制造业,特别是电子工业批量生产超薄板状金属部件的重要手段。但迄今为止,其工艺设计仍高度依赖于既往生产经验,预研和参数优化多借助试验方法,低成本模拟分析难以得到有效推广。导致这一现象的根本原因是:传统力学模型无法反映微冲裁过程中多晶金属箔介观变形和韧性失效的微结构敏感性和尺寸相关性。亟需开发先进理论模型,对这些不可避免又十分关键的因素做出有效描述。鉴于以上问题,本文在损伤力学、塑性力学和材料学框架下,借助有限元计算、力学试验以及常见材料表征手段,揭示了微冲裁过程中金属箔的变形特征和损伤机理,讨论了几何微小化,以及典型工艺参数对成型质量和工艺稳定性的影响。本文的主要研究内容如下:1)结合剪切扩展的Gurson-Tvergaard-Needleman细观失效理论、应变梯度塑性和Swift硬化关系,提出了多应变路径适用且考虑几何必须位错贡献的损伤力学模型。详细推导了该模型的增量本构,并阐述了其在有限元平台ABAQUS中基于UMAT子程序接口的数值实现流程。所提模型可以在量化损伤机制的同时反映几何尺寸缩减引发的材料强度提升,且不存在变形路径依赖。除微冲裁外,它还可以被推广至微拉深、微挤压等微成型过程预测。2)设计了两种小型含缺口板状试样,并对其开展了原位拉伸试验。通过使用扫描电子显微镜和激光共聚焦显微镜观测断面形态,揭示了拉伸和剪切状态下金属材料的差异化失效机理。此外,基于数值模拟得到了细观损伤参数演化随几何尺寸微小化的演化规律,验证了本文所提数值模型的正确性。3)对304不锈钢开展了相同间隙比例下的宏、微观冲裁试验,阐述了尺寸效应对工件初始失效位置、初始失效时刻、剪切带宽度以及断面形貌的影响。随后开展了不同间隙比例下的微冲裁试验和相应仿真计算,讨论了上述变量的间隙敏感性,所得结果在微冲裁工艺设计方面具有参考意义。4)向晶体塑性框架中引入非耦合失效准则,完成了其数值实现。开发了一系列反映真实材料微结构的有限元模型,进行了不同晶粒尺寸多晶聚集体的微冲裁仿真,拓宽了先进数值方法的工程应用范围。此外,基于模拟结果建立了晶粒尺寸和微冲裁可重复性的定性关系,指标包括:材料介观变形、物质流动、宏观力学响应和断面硬度等。发现细化晶粒有利于成品质量控制,与此前文献报道的多项试验现象吻合。综合而言,针对金属箔的微冲裁成型,围绕“尺寸效应”这个关键科学问题,本研究建立了一种数值仿真方案,为多晶材料的介观变形分析和韧性失效预测提供了新思路。获得的模拟和试验结果充分揭示了箔料冲裁中尺寸效应的表象及深层机理。