第十四讲──镀层的内应力与脆性
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。
1. 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，可沿不同方向进行分解为正应力与剪切力。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。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。
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。
2 电镀层的内应力
2. 1 产生的原因
对电镀层产生内应力的原因至今尚缺少全面深入的研究报道。综合报道，其主要原因可能有以下几点：
2. 1. 1 渗氢产生的内应力
电镀的镀前处理或电镀时若产生较多的氢气，由于氢原子体积很小，因此很容易渗入基体或镀层中。渗入的氢气从镀层中逸出，会导致镀层收缩，产生张应力；氢气向底镀层或基体中扩散，会导致基体或底镀层膨胀，底镀层产生压应力，而镀层本身收缩则产生张应力。如果在电镀过程中形成空穴，随后基体或底镀层中渗入的氢气扩散入空穴，产生很大的压力， 则底镀层产生张应力，而镀层产生压应力。
2. 1. 2 镀层结晶形态产生的内应力
在电沉积金属形成结晶时，若晶粒聚集体或部分晶粒聚集体从不同的形核中心作侧向生长，会产生内应力。晶粒聚集或其他生长过程导致定向排列发生位错时，位错周围的应力场加大，会以某种方式促进内应力的增加。应力的性质取决于位错排列的位向。
2. 1. 3 电镀添加剂对应力的影响
电镀添加剂会给镀层带来内应力，甚至是相反性质的内应力。
2. 1. 4 镀后处理对镀层内应力的影响
镀后对镀层加热除氢后，可降低渗氢产生的内应力。不同镀层(特别是合金镀层)在不同温度下进行热处理，可能改变镀层的结晶形态，从而改变内应力。镀后对制件作剪切、冲压、车削、磨削等处理，可能会增大内应力，甚至造成应力集中。
2. 2 其他影响因素
2. 2. 1 基体应力的影响
（1）基体应力对塑料电镀结合力的影响
注塑模具设计不合理、注塑条件控制不当时，ABS塑料件会存在不均匀的应力甚至应力集中。应力大处的粗化慢于应力小的部分，故粗化不足，镀层结合力下降。
（2）基体渗氢的影响
镀前处理不当而造成基体渗氢多时，电镀时氢气向镀层内扩散，会增加镀层压应力。
2. 2. 2 应力与结合力的关系
当镀层张应力过大，镀层收缩力大于结合力时，镀层易脱皮；当压应力过大，镀层膨胀力大于结合力时，镀层易起泡。
2. 2. 3 应力与抗蚀力及脆性的关系
在金属腐蚀学中，专门要研究应力腐蚀问题。有两种情况：一是当发生电化学腐蚀时，金属中应力分布不均匀会加速原电池腐蚀，即应力大的区域成为阳极，应力小的区域成为阴极，导致应力大的区域加速腐蚀。另一种情况是应力腐蚀开裂，可定义为由应力与腐蚀的共同作用所产生的金属脆性破坏。多数情况下所说的应力腐蚀均指这一现象。在单金属上发生应力腐蚀开裂的现象比在合金上少见些。其特点是材料从外观上几乎看不出变形而突然被破坏。通常认为压应力不会引起这一现象，而张应力易引起应力腐蚀开裂。金属中存在的针孔会产生一个开裂中心，沿开裂中心向深处发展，裂纹不断加深。裂纹处因应力集中而加速腐蚀，这通常都与氢气有关。电化学腐蚀时，阴极反应会产生氢气。腐蚀产生的氢气会在裂纹中产生高压，又加大应力，诱发更大的应力腐蚀。
3 电镀层的脆性
3. 1 脆性的概念
脆性是指材料在受到外力作用下并无明显变形而突然断裂的现象。所受外力可以是机械力，也可以是热胀冷缩的热力等。当镀层脆性大时，镀层易开裂， 但不一定会脱皮。镀层是否易于剥离，取决于结合力；镀层是否易于开裂，则决定于脆性。脆性的反义词是韧性或延展性，延展性与脆性的测试是相对应的。硬度是硬物体压入材料表面时，材料抵抗塑性变形的能力。对塑性变形的抵抗能力越小，说明硬度越低。硬度低则易承受塑性变形，相应地延展性好。尽管硬度与脆性不是一个概念，但从延展性的角度看， 硬度越大的材料，脆性也应越大。
3. 2 影响镀层脆性的因素
3. 2. 1 镀层金属本性的影响
不同的金属材料具有不同的固有机械性能，脆性是机械性能之一。金属在外力作用下会发生变形。金属都是由晶粒组成，具有一定的晶格形式(少数镀层可能是非晶态的)。施加外力时，原子的间距会发生改变，晶格会发生变形，分弹性变形和塑性变形两种。塑性变形有两种形式：一是晶格的滑移，二是晶格的孪动。一般情况下，晶格的滑移是主要的塑性变形原因。若变形时，晶格易于自由滑移，则金属易发生塑性变形而不易开裂，金属的可塑性大而脆性小。晶格自由滑移的能力取决于多种因素。
3. 2. 2 工艺的影响
同一种金属，采用不同工艺进行电镀，镀层脆性可能相差很大。
3. 2. 3 镀层结晶形态的影响
镀层结晶形态的研究比较复杂，大多在镀后测定其结晶形态，尚无法通过理论指导人们获取所希望的形态结晶。若镀层系面心立方晶格，则脆性最小；形成密排六方晶格时脆性最大。也有人认为晶粒粗大的结晶易于自由滑移，晶粒越细微则脆性越大。但电沉积时，人们为追求镀层的细致、平滑、光亮，往往又希望结晶细小。
3. 2. 4 镀层纯度的影响
与纯金属相比，镀层金属中总会夹杂无机、有机 杂质，其纯度会比冶炼金属低。现代电镀更广泛采用 各种有机添加剂，它们本身或其氧化还原分解产物都易夹杂在镀层中而降低镀层纯度。因此，镀层的有机夹杂是镀层产生脆性的主要原因。
3. 2. 5 内应力的影响
影响镀层内应力的因素很多，但无论张应力还是压应力，都会增加镀层脆性。从降低镀层脆性的角度讲，镀层的正应力、剪应力越低越好。
3. 2. 6 氢脆
人们很早就关注了氢对应力及脆性的巨大影响，并作了较多的研究。渗入基体或镀层中的氢，不但造成应力与脆性，应力腐蚀开裂也多与氢的产生密切相关。因氢而造成材料的腐蚀开裂称为氢致延迟断裂。不同材料对氢脆的敏感程度不一样。高强度合金 钢、弹簧钢、薄壁件对氢脆特别敏感。加工这类工件时，镀前酸洗、电解除油、电镀及镀后除氢处理都有严格要求。
本文来自《电镀与涂饰》2009年第28卷第10期。
