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關(guān)于材料應(yīng)力與脆性的一些問(wèn)題
在大多數(shù)情況下,“內(nèi)應(yīng)力”一詞是一個(gè)名詞。單從字面上看,是一個(gè)不好理解的詞,并非三言?xún)烧Z(yǔ)能說(shuō)明白的。實(shí)踐中,不少人也將結(jié)合力與脆性混為一談,分不清其差別。一般電鍍文獻(xiàn)中也只是對(duì)應(yīng)力與脆性的測(cè)定方法有所介紹,其意義與影響只有零星講述。本講對(duì)這兩個(gè)問(wèn)題作較全面的介紹。1電壓和分類(lèi)1.1接觸界面的不穩(wěn)定附加內(nèi)力應(yīng)力是材料力學(xué)中研究材料強(qiáng)度、材料抗破壞能力的一個(gè)重要的基本概念。物體內(nèi)部某一部分與其他部分相互作用的力稱(chēng)為內(nèi)力。物體的原子間本來(lái)就有力的相互作用,即物體內(nèi)部本來(lái)就有內(nèi)力存在。若再對(duì)物體施加外力,此時(shí)在物體內(nèi)部還會(huì)引起附加內(nèi)力。如圖1所示,將一個(gè)物體沿截面CD截取一部分,圍繞截面上某一點(diǎn)M劃取一塊微面積?F。如果作用在這一塊微面積上的內(nèi)力為?P,則就是面積?F內(nèi)的平均內(nèi)力集度,稱(chēng)為?F上的平均應(yīng)力。若將?F這塊微面積不斷縮小為一個(gè)點(diǎn)M,則平均應(yīng)力以數(shù)學(xué)上的微分形式表示為則稱(chēng)p為M點(diǎn)上的全應(yīng)力。1.2斜拉橋的拉拔研究全應(yīng)力是一個(gè)帶方向性的數(shù)學(xué)上稱(chēng)之為“矢量”的力。矢量可沿不同方向進(jìn)行分解。圖1中的平均應(yīng)力可分解為兩個(gè)力:一為與截面方向垂直的法向應(yīng)力,稱(chēng)為平均正應(yīng)力;另一為在平面內(nèi)的切向應(yīng)力稱(chēng)為平均剪應(yīng)力。同樣,將微面積?F縮小為一個(gè)點(diǎn)M,進(jìn)行微分處理后,稱(chēng)為M點(diǎn)上的正應(yīng)力,稱(chēng)為M點(diǎn)上的剪應(yīng)力。材料力學(xué)注重研究外力造成的材料破壞可能性,因而更注重外力作用下的附加應(yīng)力研究。外力具有各種性質(zhì),可以是拉伸作用下的拉力,壓縮時(shí)的壓力,扭曲作用力下產(chǎn)生的扭曲力等。比如對(duì)于一座斜拉橋,斜拉鋼絲(或棒)主要承載拉力,研究多大的拉力能使其拉斷;橋面的研究重點(diǎn)是其能承載多大的由汽車(chē)、火車(chē)、行人重量所產(chǎn)生的壓力,而不致使橋面斷裂。汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)與車(chē)軸間相連的傳動(dòng)桿主要受扭曲力作用,要研究多大的扭曲力不致使傳動(dòng)桿受到破壞。以圖1為例,拉伸時(shí)的力指向?yàn)殡x開(kāi)截面CD,壓縮時(shí)力的指向則朝截面CD的內(nèi)部。因此把拉伸中的軸向正應(yīng)力稱(chēng)為拉應(yīng)力,壓縮時(shí)的軸向正應(yīng)力則稱(chēng)為壓應(yīng)力。物體受到扭曲力時(shí),重點(diǎn)研究存在于截面上的剪應(yīng)力。由于實(shí)際需要,工程構(gòu)件常制成切口、切槽、開(kāi)孔、螺紋、臺(tái)階等,因而截面尺寸有急劇改變。研究表明,在截面突變的附近某些局部小范圍內(nèi),應(yīng)力值急劇增加,而離開(kāi)這個(gè)區(qū)域稍遠(yuǎn),應(yīng)力則大為降低,趨于均勻。這種現(xiàn)象稱(chēng)為應(yīng)力集中。在表面處理中,應(yīng)力集中現(xiàn)象也應(yīng)引起重視。舉兩個(gè)例子說(shuō)明:【例1】在ABS塑料的注塑模具設(shè)計(jì)時(shí),應(yīng)盡量避免應(yīng)力集中。如臺(tái)階處應(yīng)設(shè)計(jì)為圓弧狀,而不是直角。呈直角時(shí),該處應(yīng)力集中,粗化困難,從而導(dǎo)致粗化不足,結(jié)合力差。【例2】焊接塑料槽時(shí),四角及底角應(yīng)呈圓弧形而不應(yīng)呈直角狀,否則直角處應(yīng)力集中,即使焊了多根焊條,槽也易在受力時(shí)從角處開(kāi)裂。解決辦法有3個(gè):(1)不在角處拼焊,而加熱彎曲成圓弧狀,在平面部分拼接;(2)拼成直角焊后,再將切割成1/4的厚壁塑料管焊于槽內(nèi)角處,使內(nèi)角成圓弧狀;(3)內(nèi)角呈直角狀時(shí),在槽外作包邊的加強(qiáng)處理。懂得材料力學(xué)中應(yīng)力集中問(wèn)題的人,一看槽角處的處理辦法,就能立即看出設(shè)備生產(chǎn)廠家的技術(shù)能力與加工水平。1.3鍍層內(nèi)應(yīng)力的種類(lèi)任何材料中都有應(yīng)力,電鍍層也不例外。由于鍍層的應(yīng)力是電沉積本身形成的,而非施加外力引起的附加應(yīng)力,應(yīng)力集中在鍍層之中,所以電鍍層的應(yīng)力稱(chēng)為“內(nèi)應(yīng)力”。若鍍后不作消除應(yīng)力的處理,則電沉積中產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力始終存在,故又稱(chēng)為“剩余應(yīng)力”或“殘余應(yīng)力”。電鍍層的內(nèi)應(yīng)力屬于宏觀應(yīng)力。電鍍層的殘余應(yīng)力可分為兩類(lèi):一類(lèi)是使鍍層本身體積有膨脹趨勢(shì)的應(yīng)力,即鍍層晶粒之間因有膨脹趨勢(shì)而相互擠壓,故稱(chēng)為壓應(yīng)力,又稱(chēng)為舒張應(yīng)力;另一類(lèi)是使鍍層體積收縮的應(yīng)力,即晶格之間因收縮而相互拉緊,故稱(chēng)為張應(yīng)力,又稱(chēng)為收縮應(yīng)力或拉應(yīng)力。注意:僅管舒張應(yīng)力比張應(yīng)力只多了一個(gè)字,但兩者的性質(zhì)剛好相反,千萬(wàn)不能混淆。如圖2所示,若用剪床將薄而柔軟的紫銅皮剪切成窄條狀(手工剪切會(huì)帶來(lái)很大的附加內(nèi)應(yīng)力),清潔處理后,一面涂上薄的軟質(zhì)保護(hù)層(或貼很薄的透明粘膠紙帶),將未絕緣一面正對(duì)陽(yáng)極,上端夾緊、固定后電鍍。觀察試片電鍍時(shí)的幾何形狀變化會(huì)發(fā)現(xiàn):當(dāng)鍍層內(nèi)應(yīng)力大時(shí),試片會(huì)發(fā)生彎曲。當(dāng)有較大收縮應(yīng)力時(shí),試片會(huì)向陽(yáng)極一邊彎曲,即向鍍層一邊彎曲,原因是鍍層收縮,將軟質(zhì)紫銅試片拉彎了;反之,當(dāng)鍍層有較大張應(yīng)力時(shí),鍍層膨脹,膨脹力使試片向絕緣層一邊彎曲。根據(jù)試片彎曲的弧度,可以粗略計(jì)算應(yīng)力的大小。這一測(cè)定鍍層內(nèi)應(yīng)力的方法稱(chēng)為“剛性平條法”,但其計(jì)算公式復(fù)雜,計(jì)算量大。因此,一般不必作定量測(cè)定,只需做相對(duì)比較的定性試驗(yàn)即可。2內(nèi)應(yīng)力2.1造成這一原因的原因?qū)﹄婂儗赢a(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力的原因至今尚缺少全面深入的研究報(bào)道。綜合零星報(bào)道,其主要原因可能有以下幾點(diǎn):2.1.1鍍層張應(yīng)力的影響電鍍的鍍前處理或電鍍時(shí)若產(chǎn)生較多的氫氣,由于氫原子體積很小,因此很容易滲入基體或鍍層中。滲入的氫氣從鍍層中逸出,會(huì)導(dǎo)致鍍層收縮,產(chǎn)生張應(yīng)力;氫氣向底鍍層或基體中擴(kuò)散,會(huì)導(dǎo)致基體或底鍍層膨脹,底鍍層產(chǎn)生壓應(yīng)力,而鍍層本身收縮則產(chǎn)生張應(yīng)力。如果在電鍍過(guò)程中形成空穴,隨后基體或底鍍層中滲入的氫氣擴(kuò)散入空穴,產(chǎn)生很大的壓力,則底鍍層產(chǎn)生張應(yīng)力,而鍍層產(chǎn)生壓應(yīng)力。2.1.2晶粒定向排列試驗(yàn)在電沉積金屬形成結(jié)晶時(shí),若晶粒聚集體或部分晶粒聚集體從不同的形核中心作側(cè)向生長(zhǎng),會(huì)產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力。晶粒聚集或其他生長(zhǎng)過(guò)程導(dǎo)致定向排列發(fā)生位錯(cuò)時(shí),位錯(cuò)周?chē)膽?yīng)力場(chǎng)加大,會(huì)以某種方式促進(jìn)內(nèi)應(yīng)力的增加。應(yīng)力的性質(zhì)取決于位錯(cuò)排列的位向。晶體化學(xué)十分深?yuàn)W,也需要高級(jí)試驗(yàn)手段。結(jié)晶影響應(yīng)力的研究報(bào)道也很粗糙,具體如何影響也不清楚,只能估且相信結(jié)晶形態(tài)對(duì)應(yīng)力是有影響的這一結(jié)論。2.1.3微裂紋鉻的制備電鍍添加劑會(huì)給鍍層帶來(lái)內(nèi)應(yīng)力,甚至是相反性質(zhì)的內(nèi)應(yīng)力。具體深入的研究報(bào)道也很少。結(jié)論最明確的是亮鎳光亮劑對(duì)亮鎳層內(nèi)應(yīng)力的影響。現(xiàn)今亮鎳光亮劑的復(fù)配中間體越來(lái)越多,但仍可分為三大類(lèi):初級(jí)光亮劑、次級(jí)光亮劑和輔助光亮劑。初級(jí)光亮劑單用時(shí)只能獲得半光亮鍍層,至今仍以糖精鈉為主。初級(jí)光亮劑多分配在所謂的“柔軟劑”中,會(huì)使鍍層產(chǎn)生壓應(yīng)力。次級(jí)光亮劑發(fā)展的中間體特別多,從丁炔二醇到其衍生物BE、791A等,再到吡啶衍生物、丙炔醇類(lèi)衍生物等,但它們對(duì)鍍層內(nèi)應(yīng)力的影響仍有一定規(guī)律──使亮鎳層產(chǎn)生張應(yīng)力。初級(jí)和次級(jí)光亮劑所產(chǎn)生的不同性質(zhì)的應(yīng)力可相互抵消,使總的內(nèi)應(yīng)力降至最低。過(guò)大的張應(yīng)力易使亮鎳層因收縮而開(kāi)裂、脫皮等,表現(xiàn)出明顯的脆性。也許正因?yàn)槌跫?jí)光亮劑能抵消次級(jí)光亮劑造成的張應(yīng)力,因而將以初級(jí)光亮劑為主的復(fù)配物稱(chēng)為“柔軟劑”。在研制亮鎳復(fù)配光亮劑時(shí),對(duì)所謂“光澤劑”與“柔軟劑”的配方、各自加入量、補(bǔ)加量都應(yīng)作深入研究,提供正確而明確的大生產(chǎn)應(yīng)用數(shù)據(jù),以將總的內(nèi)應(yīng)力降至最小。因?yàn)檫^(guò)大的張應(yīng)力易使鍍層開(kāi)裂、脫皮,而過(guò)大的壓應(yīng)力會(huì)使鍍層因過(guò)度膨脹而起泡,鍍層脆性也會(huì)增大。在大生產(chǎn)中補(bǔ)加添加劑時(shí)切不可望文生義地亂加。至于為什么初級(jí)光亮劑會(huì)使鍍層產(chǎn)生壓應(yīng)力,而次級(jí)光亮劑使鍍層產(chǎn)生張應(yīng)力,也未見(jiàn)任何機(jī)理報(bào)道。推測(cè)是它們對(duì)鍍層結(jié)晶形態(tài)產(chǎn)生不同的影響所致。有報(bào)道稱(chēng),光亮酸銅液中的Cl-會(huì)降低其他光亮劑造成的銅層內(nèi)應(yīng)力,進(jìn)而提高銅層延展性。普通六價(jià)鉻鍍鉻層很薄時(shí)是無(wú)孔、無(wú)裂紋的(筆者曾試想得到較厚的無(wú)裂紋鉻層,始終無(wú)法成功)。據(jù)日本友野里平的《實(shí)用電鍍手冊(cè)》介紹,達(dá)0.5μm厚時(shí)孔眼很多,2.0μm時(shí)裂紋很明顯,很厚時(shí)裂紋因相互遮蓋又形成大的孔眼。鍍鉻之所以產(chǎn)生裂紋,是因?yàn)榱鶅r(jià)鉻鍍鉻層具有非常大的收縮應(yīng)力,當(dāng)它大于金屬鉻的抗拉強(qiáng)度時(shí),鉻層被拉裂。筆者曾撰文討論過(guò)為什么裝飾鍍鉻層不宜過(guò)厚,其中舉了一個(gè)親身體會(huì)的生產(chǎn)案例:某用戶(hù)嫌裝飾鍍鉻層薄了而找電鍍廠的麻煩,于是電鍍廠將雙鎳后的套鉻時(shí)間從50s逐漸延長(zhǎng)至10min,結(jié)果CASS試驗(yàn)反而不合格。筆者將套過(guò)厚鉻的工件置于光亮酸銅液中浸10余秒后再觀察,發(fā)現(xiàn)其表面有大量裂紋狀置換銅層??梢?jiàn),過(guò)厚鉻層的巨大張應(yīng)力將雙鎳層也拉裂了,裂紋處露出了鐵基體,因此產(chǎn)生了裂紋狀置換銅層,其耐蝕性自然大大下降。為了提高硬鉻層的防蝕性,利用腐蝕電流分散法開(kāi)發(fā)了微裂紋鍍鉻添加劑(要求裂紋數(shù)不低于400條/cm)。其原理可以這樣來(lái)理解:添加劑使鉻層很薄時(shí)即產(chǎn)生很大的收縮應(yīng)力而形成很微細(xì)的裂紋,隨后鉻在裂紋之間繼續(xù)生長(zhǎng),而在一定厚度內(nèi)始終保持微裂紋狀。微裂紋鍍硬鉻也不宜鍍得過(guò)厚,否則裂紋相互遮蓋,從而失去微裂紋特征。在鍍鎳液中加入硒鹽,會(huì)產(chǎn)生很大的收縮應(yīng)力而形成微裂紋鎳,其上再套裝飾鉻可形成微裂紋鉻。但微裂紋鎳層因脆性太大,而未獲得工業(yè)化應(yīng)用。2.1.4熱處理對(duì)鍍層性能的影響鍍后對(duì)鍍層加熱除氫后,可降低滲氫產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力。不同鍍層(特別是合金鍍層)在不同溫度下進(jìn)行熱處理,可能改變鍍層的結(jié)晶形態(tài),從而改變內(nèi)應(yīng)力。例如,對(duì)鋼鐵件進(jìn)行熱處理時(shí),體心立方晶體的δ–Fe經(jīng)1394°C熱處理時(shí)會(huì)轉(zhuǎn)化為面心立方晶體的γ–Fe,γ–Fe再經(jīng)912°C熱處理后又會(huì)變?yōu)轶w心立方晶體的α–Fe,其內(nèi)應(yīng)力顯然各不相同?;瘜W(xué)鍍鎳磷合金在200°C以下經(jīng)過(guò)40~60min熱處理后,鍍層內(nèi)應(yīng)力降低,但鍍層的硬度幾乎無(wú)任何變化;而在400°C熱處理1h后,硬度可達(dá)900HV以上,但內(nèi)應(yīng)力可能加大。具體影響很復(fù)雜,應(yīng)以試驗(yàn)結(jié)果為準(zhǔn)。鍍后對(duì)制件作剪切、沖壓、車(chē)削、磨削等處理,可能會(huì)增大內(nèi)應(yīng)力,甚至造成應(yīng)力集中。2.2其他影響因素2.2.1影響因素平衡的影響2.2.1.控制不均勻前已述及,注塑模具設(shè)計(jì)不合理、注塑條件控制不當(dāng)時(shí),ABS塑料件會(huì)存在不均勻的應(yīng)力甚至應(yīng)力集中。應(yīng)力大處的粗化慢于應(yīng)力小的部分,故粗化不足,鍍層結(jié)合力下降。2.2.1.2.2氫基合物的影響當(dāng)鍍前處理不當(dāng)而造成基體滲氫多時(shí),電鍍時(shí)氫氣向鍍層內(nèi)擴(kuò)散,會(huì)增加鍍層壓應(yīng)力。2.2.2重力與耦合力之間的關(guān)系當(dāng)鍍層張應(yīng)力過(guò)大,鍍層收縮力大于結(jié)合力時(shí),鍍層易脫皮;當(dāng)壓應(yīng)力過(guò)大,鍍層膨脹力大于結(jié)合力時(shí),鍍層易起泡。2.2.3應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂在金屬腐蝕學(xué)中,專(zhuān)門(mén)要研究應(yīng)力腐蝕問(wèn)題。有兩種情況:一是當(dāng)發(fā)生電化學(xué)腐蝕時(shí),金屬中應(yīng)力分布不均勻會(huì)加速原電池腐蝕,即應(yīng)力大的區(qū)域成為陽(yáng)極,應(yīng)力小的區(qū)域成為陰極,導(dǎo)致應(yīng)力大的區(qū)域加速腐蝕。另一種情況是應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂,可定義為“由應(yīng)力與腐蝕的共同作用所產(chǎn)生的金屬脆性破壞”。多數(shù)情況下所說(shuō)的應(yīng)力腐蝕均指這一現(xiàn)象。在單金屬上發(fā)生應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂的現(xiàn)象比在合金上少見(jiàn)些。其特點(diǎn)是材料從外觀上幾乎看不出變形而突然被破壞。通常認(rèn)為壓應(yīng)力不會(huì)引起這一現(xiàn)象,而張應(yīng)力易引起應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂。金屬中存在的針孔會(huì)產(chǎn)生一個(gè)開(kāi)裂中心,沿開(kāi)裂中心向深處發(fā)展,裂紋不斷加深。裂紋處因應(yīng)力集中而加速腐蝕,這通常都與氫氣有關(guān)。電化學(xué)腐蝕時(shí),陰極反應(yīng)會(huì)產(chǎn)生氫氣:2H++2e-→H2↑。腐蝕產(chǎn)生的氫氣會(huì)在裂紋中產(chǎn)生高壓,又加大了應(yīng)力,誘發(fā)更大的應(yīng)力腐蝕。石油開(kāi)采與輸送的管道、閥門(mén)等應(yīng)用要求很高的防蝕能力,原因是石油中硫化物含量多,易形成硫化氫氣體。在高濃度H2S氣體和高負(fù)荷應(yīng)力作用下,更易形成腐蝕開(kāi)裂。也有人認(rèn)為硫化物造成的腐蝕最終反應(yīng)會(huì)形成氫氣,與氫致延遲斷裂有關(guān):所生成的氫原子會(huì)形成氫氣(2H→H2↑)或擴(kuò)散入金屬中。鍍層殘余應(yīng)力的存在,會(huì)使鍍層脆性增加。3電鉻層的特性3.1鍍層脆性與延展性、脆性的關(guān)系脆性是指材料在受到外力作用下并無(wú)明顯變形而突然斷裂的現(xiàn)象。所受外力可以是機(jī)械力,也可以是熱脹冷縮的熱力等。當(dāng)鍍層脆性大時(shí),鍍層易開(kāi)裂,但不一定會(huì)脫皮。實(shí)驗(yàn)室做結(jié)合力測(cè)試時(shí),往往是在鍍后將試片反復(fù)折彎致斷(本不易斷的試片在反復(fù)折彎時(shí)因加工硬化作用,脆性加大而被折斷),看鍍層是否起皮。用工件做結(jié)合力測(cè)試時(shí),則反復(fù)加熱、冷卻(稱(chēng)為熱震試驗(yàn)),看鍍層是否起皮或起泡。結(jié)合力好時(shí),不易起皮、起泡;結(jié)合力差時(shí)會(huì)起皮或起泡,但鍍層不一定開(kāi)裂(只有當(dāng)結(jié)合力差且脆性又大時(shí)才會(huì)既起皮、起泡又開(kāi)裂)。用杯突試驗(yàn)機(jī)定量測(cè)定鍍層脆性時(shí),將試片夾緊于規(guī)定壓模內(nèi),再用鋼球或球狀沖頭向試片均勻施加壓力,記下鍍層開(kāi)始產(chǎn)生裂紋的壓入深度(單位mm),而不是觀察鍍層發(fā)生起皮的壓入深度。壓入深度越大,則脆性越小。簡(jiǎn)言之,鍍層是否易于剝離,取決于結(jié)合力;鍍層是否易于開(kāi)裂,則決定于脆性。切莫將兩者混淆。脆性的反義詞是韌性或延展性,延展性與脆性的測(cè)試是相對(duì)應(yīng)的。在常見(jiàn)鍍層金屬中,關(guān)注較多的是鎳鍍層的脆性問(wèn)題。在電鍍廠的簡(jiǎn)易試驗(yàn)條件下,可用以下辦法作粗略判定:用厚度0.3mm左右的銅試片,赫爾槽2A電流攪拌鍍5~10min,清洗、吹干后,放近聽(tīng)力正常的耳邊,從試片高端至低端逐步移位彎折。若鍍層脆性大,可聽(tīng)到鍍層斷裂所產(chǎn)生的爆裂聲。由不產(chǎn)生爆裂聲的位置,可以估計(jì)鍍層不產(chǎn)生脆性的陰極電流密度最大值。經(jīng)改變工藝條件,補(bǔ)加不同類(lèi)型光亮劑,對(duì)鍍液除去有機(jī)雜質(zhì)等處理后,做同樣的試驗(yàn),可以比較不同因素對(duì)鎳層脆性的影響(一般按嚴(yán)格要求新配的亮鎳鍍液,試片高端折彎時(shí)也不會(huì)產(chǎn)生鍍層開(kāi)裂的爆裂聲)。硬度是硬物體壓入材料表面時(shí),材料抵抗塑性變形的能力。對(duì)塑性變形的抵抗能力越小,說(shuō)明硬度越低。硬度低則易承受塑性變形,相應(yīng)地延展性好。盡管硬度與脆性不是一個(gè)概念,但從延展性的角度看,硬度越大的材料,脆性也應(yīng)越大。3.2影響涂層的脆弱性3.2.1金屬蛋白的熱膨脹引起晶體結(jié)構(gòu)變形不同的金屬材料具有不同的固有機(jī)械性能,脆性是機(jī)械性能之一。金屬在外力作用下會(huì)發(fā)生變形。金屬都是由晶粒組成,具有一定的晶格形式(少數(shù)鍍層可能是非晶態(tài)的)。施加外力時(shí),晶格會(huì)發(fā)生變形,原子的間距會(huì)發(fā)生改變。當(dāng)施加的外力不夠大時(shí),撤除外力后,原子的間距可以恢復(fù)到原來(lái)的距離,晶格的畸變及整個(gè)晶體的變形也立刻消失。這種情況下的變形稱(chēng)為彈性變形。材料所能承受彈性變形的力越大,其彈性越好,如彈簧鋼、磷青銅等的彈性都很好。在彈性變形的基礎(chǔ)上繼續(xù)加大外力,原子的間距進(jìn)一步加大,晶格的畸變程度也加大。當(dāng)畸變到一定程度時(shí),晶格的一部分相對(duì)于另一部分產(chǎn)生較大的錯(cuò)動(dòng)。錯(cuò)動(dòng)后的原子就在新的位置上與附近的原子組成新的平衡。當(dāng)取消外力后,原子的間距可能恢復(fù)原狀,但錯(cuò)動(dòng)后的晶格卻不能再恢復(fù)到原來(lái)的位置。這就產(chǎn)生了一種永久性的變形,稱(chēng)為塑性變形。塑性變形有兩種形式:一是晶格的滑移,二是晶格的孿動(dòng)。金屬在外力作用下,晶格的某一部分沿著一定的晶面和一定的方向,與另一部分作相對(duì)移動(dòng),這種現(xiàn)象稱(chēng)為晶格的滑移。這個(gè)晶面稱(chēng)為滑移面,這個(gè)方向稱(chēng)為滑移方向。若在外力作用下,晶格的一部分相對(duì)于另一部分沿著一定的晶面和方向發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng),則稱(chēng)為晶格的孿動(dòng)。孿動(dòng)后內(nèi)部出現(xiàn)空隙,易導(dǎo)致金屬的破裂。一般情況下,晶格的滑移是主要的塑性變形原因。若變形時(shí),晶格易于自由滑移,則金屬易發(fā)生塑性變形而不易開(kāi)裂,金屬的可塑性大而脆性小。晶格自由滑移的能力取決于多種因素:(1)晶面上原子分布的密度。當(dāng)原子分布最密的晶面成為滑移面時(shí),產(chǎn)生自由滑移的可能性越大,塑性變形可以越大而不至于脆裂。(2)金屬的結(jié)晶形態(tài)。面心立方晶格的金屬(如金、銀、銅、鋁等)塑性好,脆性小;體心立方晶格的金屬(如鉬、鎢、α–鐵等)的塑性次之;密排六方晶格的金屬(如鎂、鈦、鋅等)塑性最差,脆性最大。(3)晶間的結(jié)合力。金屬晶間的結(jié)合力越好,越不易產(chǎn)生晶間破壞,則金屬的可塑性越好,脆性越小。眾所周知,金的延展性最好、脆性最小,因而金能由工匠敲擊為透光的非常薄的金箔而不至于脆裂,并用于佛像貼金等。金也可以拉制成比頭發(fā)絲還細(xì)得多的金絲而不至于斷裂,并用于工藝美術(shù)品制件及紡織品等。而鋅本身是易脆金屬,鋅棒稍不留意摔一下也會(huì)斷開(kāi)。筆者對(duì)氯化物鍍鋅光亮劑中的一種所謂“柔軟劑”,歷來(lái)十分反感:怎么可能加入后能使本性就很脆的鋅變得柔軟起來(lái)?筆者曾設(shè)想塑料化學(xué)鍍鎳后直接鍍亮鎳而不鍍銅,以免本來(lái)不生銹的塑料件長(zhǎng)銅綠,結(jié)果因亮鎳層脆而開(kāi)裂,無(wú)法成功。3.2.2氨基磺酸鹽鍍鎳同一種金屬,采用不同工藝進(jìn)行電鍍,鍍層脆性可能相差很大。對(duì)于鍍鎳而言,氨基磺酸鹽鍍鎳層的脆性最小,暗鎳次之,亮鎳最大。故鍍?nèi)『矜?尤其是電鑄鎳時(shí),不得不采用槽液配制成本高的氨基磺酸鹽鍍鎳工藝。筆者在20世紀(jì)90年代初曾開(kāi)發(fā)過(guò)全息激光防偽商標(biāo)用來(lái)鍍?nèi)∧0宓碾婂兂商自O(shè)備,就只好采用該工藝。對(duì)于鍍銅而言,硫酸鹽全光亮酸性鍍銅層的脆性比堿性鍍銅層小得多,加之光亮整平性好,故為塑料電鍍的必用工藝。3.2.3鍍層系面心立式晶圓鍍層結(jié)晶形態(tài)的研究比較復(fù)雜,大多在鍍后測(cè)定其結(jié)晶形態(tài),尚無(wú)法通過(guò)理論指導(dǎo)人們獲取所希望的形態(tài)結(jié)晶。如前所述,若鍍層系面心立方晶格,則脆性最小;形成密排六方晶格時(shí)脆性最大。也有人認(rèn)為晶粒粗大的結(jié)晶易于自由滑移,晶粒越細(xì)微則脆性越大。但電沉積時(shí),人們?yōu)樽非箦儗拥募?xì)致、平滑、光亮,往往又希望結(jié)晶細(xì)小。3.2.4有機(jī)添加劑的積極影響與純金屬相比,鍍層金屬中總會(huì)夾雜無(wú)機(jī)、有機(jī)雜質(zhì),其純度會(huì)比冶煉金屬低?,F(xiàn)代電鍍更廣泛采用各種有機(jī)添加劑,它們本身或其氧化還原分解產(chǎn)物都易夾雜在鍍層中而降低鍍層純度。因此,鍍層的有機(jī)夾雜是鍍層產(chǎn)生脆性的主要原因。一方面,有機(jī)添加劑通過(guò)改變電化學(xué)極化、改變鍍層結(jié)晶形態(tài)等方式細(xì)化鍍層結(jié)晶、提高鍍層光亮整平性──這是其有利的一面;但另一方面,不可避免的有機(jī)夾雜易形成雜質(zhì)與金屬之間的微電池腐蝕,降低鍍層的防蝕力,同時(shí)拉開(kāi)了金屬晶粒之間的距離,使晶粒相互間的結(jié)合力下降,又使鍍層在承受外力變形時(shí)的晶格自由滑移受阻,降低了塑性變形性,從而使鍍層脆性增加。及時(shí)有效地去除有機(jī)雜質(zhì)已成為現(xiàn)代鍍液維護(hù)的重要手段。鍍層純度越高,脆性越小。以鍍鋅為例,鍍層純度依氰化鍍鋅、鋅酸鹽鍍鋅、氯化物鍍鋅的次序下降。因此,氰化鍍鋅即使鍍厚鋅也能保持較低的脆性,而無(wú)氰鍍鋅一般超過(guò)20μm厚時(shí)脆性就十分明顯,無(wú)法獲得厚而脆性又小的鍍層。電鍍層的脆性都大于冶煉純金屬的脆性,這
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