第十四讲_镀层的内应力与脆性VIP专享VIP免费

•40•【电镀基础讲座】第十四讲──镀层的内应力与脆性袁诗璞在电镀文献中常见“内应力”这一名词。单从字面上看，是一个不好理解的词，并非三言两语能说明白的。实践中，不少人也将结合力与脆性混为一谈，分不清其差别。一般电镀文献中也只是对应力与脆性的测定方法有所介绍，其意义与影响只有零星讲述。本讲对这两个问题作较全面的介绍。1应力及其分类1.1应力的概念应力是材料力学中研究材料强度、材料抗破坏能力的一个重要的基本概念。物体内部某一部分与其他部分相互作用的力称为内力。物体的原子间本来就有力的相互作用，即物体内部本来就有内力存在。若再对物体施加外力，此时在物体内部还会引起附加内力。如图1所示，将一个物体沿截面CD截取一部分，围绕截面上某一点M划取一块微面积∆F。如果作用在这一块微面积上的内力为∆P，则PFΔΔ就是面积∆F内的平均内力集度，称为∆F上的平均应力。若将∆F这块微面积不断缩小为一个点M，则平均应力以数学上的微分形式表示为ddPF=p，则称p为M点上的全应力。图1应力Figure1Stress1.2应力的分类全应力是一个带方向性的数学上称之为“矢量”的力。矢量可沿不同方向进行分解。图1中的平均应力可分解为两个力：一为与截面方向垂直的法向应力NFΔΔ，称为平均正应力；另一为在平面内的切向应力TFΔΔ，称为平均剪应力。同样，将微面积∆F缩小为一个点M，进行微分处理后，ddNF称为M点上的正应力，ddTF称为M点上的剪应力。材料力学注重研究外力造成的材料破坏可能性，因而更注重外力作用下的附加应力研究。外力具有各种性质，可以是拉伸作用下的拉力，压缩时的压力，扭曲作用力下产生的扭曲力等。比如对于一座斜拉桥，斜拉钢丝(或棒)主要承载拉力，研究多大的拉力能使其拉断；桥面的研究重点是其能承载多大的由汽车、火车、行人重量所产生的压力，而不致使桥面断裂。汽车发动机与车轴间相连的传动杆主要受扭曲力作用，要研究多大的扭曲力不致使传动杆受到破坏。以图1为例，拉伸时的力指向为离开截面CD，压缩时力的指向则朝截面CD的内部。因此把拉伸中的轴向正应力称为拉应力，压缩时的轴向正应力则称为压应力。物体受到扭曲力时，重点研究存在于截面上的剪应力。由于实际需要，工程构件常制成切口、切槽、开孔、螺纹、台阶等，因而截面尺寸有急剧改变。研究表明，在截面突变的附近某些局部小范围内，应力值急剧增加，而离开这个区域稍远，应力则大为降低，趋于均匀。这种现象称为应力集中。在表面处理中，应力集中现象也应引起重视。举两个例子说明：【例1】在ABS塑料的注塑模具设计时，应尽量避免应力集中。如台阶处应设计为圆弧状，而不是直角。呈直角时，该处应力集中，粗化困难，从而导致粗化不足，结合力差。【例2】焊接塑料槽时，四角及底角应呈圆弧形而不应呈直角状，否则直角处应力集中，即使焊了多根焊条，槽也易在受力时从角处开裂。解决办法有3个：(1)不在角处拼焊，而加热弯曲成圆弧状，在平面部分拼接；(2)拼成直角焊后，再将切割成1/4的厚壁塑料管焊于槽内角处，使内角成圆弧状；(3)内角呈直角状时，在槽外作包边的加强处理。懂得材料力学中应力集中问题的人，一看槽角处的处理办法，就能立即看出设备生产厂家的技术能力与加工水平。电镀基础讲座──镀层的内应力与脆性•41•1.3电镀层的残余应力任何材料中都有应力，电镀层也不例外。由于镀层的应力是电沉积本身形成的，而非施加外力引起的附加应力，应力集中在镀层之中，所以电镀层的应力称为“内应力”。若镀后不作消除应力的处理，则电沉积中产生的内应力始终存在，故又称为“剩余应力”或“残余应力”。电镀层的内应力属于宏观应力。电镀层的残余应力可分为两类：一类是使镀层本身体积有膨胀趋势的应力，即镀层晶粒之间因有膨胀趋势而相互挤压，故称为压应力，又称为舒张应力；另一类是使镀层体积收缩的应力，即晶格之间因收缩而相互拉紧，故称为张应力，又称为收缩应力或拉应力。注意：仅管舒张应力比张应力只多了一个字，但两者的性质刚好相反，千万不能混淆。如图2所示，若用剪床将薄而柔软的紫铜皮剪切成窄条状(手工剪切会带来很大的附加内应力)，清洁处理后，一面...