微观组织特征及尺寸效应对工业纯铝薄板力学性能的影响

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随着锂电池能量密度的要求越来越高,集电箔用铝箔产品厚度已降至10μm以下,且对其导电率和抗拉强度要求越来越高。本文以锂电池集电箔用工业纯铝铝箔为研究对象,分析其主要杂质元素Fe、Si总含量,以及Fe/Si比对其导电率、强度的影响规律,探索最佳成分控制范围,并尝试分析“尺寸效应”对材料性能的影响。研究发现工业纯铝中,随杂质元素(Fe+Si)总量的增大,铝板导电率急剧降低,而抗拉强度随之升高。而在杂质(Fe+Si)总量基本一致的前提下,随Si/Fe比例的减小样品的导电率逐渐增高,而材料的抗拉强度随之降低。当Si/Fe较小时,铝板组织中第二相数量较多,且大部分第二相化合物为Al12Fe3Si相,为六方晶系;而当Si/Fe较大时,铝板组织中第二相数量明显减少,主要的第二相化合物为单斜晶系的Al9Fe2Si2。固溶强化对导电率的损伤率,明显高于加工硬化对导电率的损伤率。当材料厚度低至几个晶粒尺寸范畴后,“尺寸效应”对材料性能的影响越发显著:随着厚度的降低,材料的延伸率逐渐降低,且抗拉强度显著降低。利用有限元软件Abaqus及UMAT,模拟了材料的屈服强度及延伸率变化的趋势,以及晶粒变形及晶内外的应力分布。结果显示:在相同晶粒尺寸下,随着模型厚度的减小,材料颈缩区域宽度明显减小,材料强度和延伸率都会减小;随着模型内晶粒尺寸的减小,材料的断口角度与轴线的夹角更加偏离45°,而且强度和延伸率都会增加;硬取向屈服强度高于随机取向,随机取向强度高于软取向。
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