鍍鋅板無(wú)鉛焊料的界面組織及力學(xué)性能研究

1、青島農(nóng)業(yè)大學(xué)海都學(xué)院本科生畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）題 目： 鍍鋅板/無(wú)鉛焊料的界面組織及力學(xué)性能研究 姓 名： 鄭凱 系 別： 工程系 專 業(yè)： 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化 班 級(jí)： 2006.02 學(xué) 號(hào)： 020060576 指導(dǎo)教師： 李顯昌 2010 年 6 月 18 日畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）誠(chéng)信聲明本人聲明：所呈交的畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）是在導(dǎo)師指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作及取得的研究成果，論文中引用他人的文獻(xiàn)、數(shù)據(jù)、圖表、資料均已作明確標(biāo)注，論文中的結(jié)論和成果為本人獨(dú)立完成，真實(shí)可靠，不包含他人成果及已獲得青島農(nóng)業(yè)大學(xué)或其他教育機(jī)構(gòu)的學(xué)位或證書(shū)使用過(guò)的材料。與我一同工作的同志對(duì)本研究所做的任何貢獻(xiàn)均已在論文中作了

2、明確的說(shuō)明并表示了謝意。論文（設(shè)計(jì)）作者簽名： 日期： 年 月 日 畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）版權(quán)使用授權(quán)書(shū)本畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）作者同意學(xué)校保留并向國(guó)家有關(guān)部門(mén)或機(jī)構(gòu)送交論文（設(shè)計(jì)）的復(fù)印件和電子版，允許論文（設(shè)計(jì)）被查閱和借閱。本人授權(quán)青島農(nóng)業(yè)大學(xué)可以將本畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存和匯編本畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 。本人離校后發(fā)表或使用該畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）或與該論文（設(shè)計(jì)）直接相關(guān)的學(xué)術(shù)論文或 成果時(shí)，單位署名為青島農(nóng)業(yè)大學(xué)。論文（設(shè)計(jì)）作者簽名： 日期： 年 月 日指 導(dǎo) 教 師 簽 名： 日期： 年 月 日目 錄摘 要.Abstract.II第

3、一章 課題背景.1第二章 樣品的制備.52.1 鐵樣品的制備 .52.2 電解液的配置 .52.21 電解液的選取.52.22 電解液的配置.52.3 電鍍 .52.4 焊接 .92.5 對(duì)焊接樣品的處理 .92.6 掃描電鏡 .92.7 固態(tài)時(shí)效 .92.8 試樣拉伸。 .9第三章 試驗(yàn)結(jié)果與討論.123.1 電鍍后的表面形貌與成分分析 .123.2 Fe-Zn/Sn-Ag-Cu 連接體界面的組織結(jié)構(gòu).143.3 Fe-Zn/Sn-Sb-Cu 連接體界面的組織結(jié)構(gòu).183.4 Fe-Zn/Sn-Cu 連接體界面 150時(shí)效不同時(shí)間后的焊料內(nèi)部微觀形貌和界面組織變化.213.5 Fe-Zn/S

4、n-Cu 連接體的拉伸曲線.253.6 連接體的斷口形貌。 .28第四章 結(jié)論.30參考文獻(xiàn).31致 謝.33鍍鋅板/無(wú)鉛焊料的界面組織及力學(xué)性能研究摘 要本課題選用了兩種不同焊料在鍍鋅板上回流，把焊料與鍍鋅板組成的界面作為研究對(duì)象。實(shí)驗(yàn)中采用了電火花線切割、掃描電子顯微鏡等技術(shù)對(duì)時(shí)效前后的Fe-Zn與焊料連接體界面的反應(yīng)產(chǎn)物的微觀形貌、成分進(jìn)行了分析表征。整個(gè)研究工作的主要結(jié)果包括：1. Fe-Sn/Sn-Ag-Cu的界面經(jīng)過(guò)150，2天、5天、8天時(shí)效失效后在Sn-Ag-Cu焊料與鍍Zn板的界面上沒(méi)有形成明顯的化合物。隨著時(shí)效時(shí)間的增長(zhǎng)，焊料中針狀的Ag3Sn化合物球化，變成細(xì)小的顆粒狀且

5、在焊料中分布更加均勻。2Fe-Sn/Sn-Sb-Cu的界面經(jīng)過(guò)150、2天、5天、8天時(shí)效失效后在焊料與鍍Zn板的連接體界面處的化合物逐漸形成,連續(xù)分布且厚度有所增加。但隨著時(shí)效時(shí)間的增長(zhǎng)化合物厚度并沒(méi)有發(fā)生明顯的增加。3. Fe-Zn/Sn-Cu連接體具有較高的強(qiáng)度，斷裂伸長(zhǎng)率大，拉伸強(qiáng)度也較高，F(xiàn)e-Zn/Sn-Cu連接體良好的延展性在150C溫度下有所降低，卻隨著失效時(shí)間的增加并沒(méi)有明顯下降。關(guān)鍵詞：關(guān)鍵詞：電解液，電鍍鋅板 ，Sn-Cu焊料，熱時(shí)效，球化，偏聚，界面化合物。IIStudy on the microstructure and mechanical properties o

6、f Zinc coated plate/lead-free solder interface AbstractThis study chooses two different kinds of solder to reflow on the galvanizing plate, and choose the interface between galvanized plates and solder as the object of study. Electric spark wire cutting, scanning electron microscopy, and so on techn

7、iques are adopted in the experiment to analyze and characterize the micro-morphology and composition of the reaction product of the Fe-Zn solder connecting body interface before and after aging treatment.The main results of the study include:1.No obvious compound is emerged in the interface of Sn-Ag

8、-Cu solder and galvanized plate from Fe-Sn/Sn-Ag-Cu interface after 150 , 2 days, 5 days, 8 days aging treatment failure. As the aging time growing, needle Ag3Sn compounds in the solder are spheroidized into small granular and distributed more evenly in the solder.2.Compounds are emerged gradually,

9、distribute continuously, and the thickness increases in the interface of solder and galvanized plate from Fe-Sn/Sn-Sb-Cu interface after 150 , 2 days, 5 days, 8 days aging treatment failure. However, the thickness of compounds is not changed obviously with increase of the aging time. 3. Fe-Zn/Sn-Cu

10、connectors with high strength large elongation, tensile strength and higher, Fe-Zn/Sn-Cu connectors, good ductility at 150 C temperature decrease, With the lapse of time has increased and no significant drop.Key words: Electrolyte, electro galvanized sheet, Sn-Cu solder, heat aging, globalization, s

11、egregation, interface compounds.青島農(nóng)業(yè)大學(xué)海都學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）1第一章 課題背景鍍鋅板是指表面鍍有一層鋅的鋼板。鍍鋅是一種經(jīng)常采用的經(jīng)濟(jì)而有效的防腐方法。全世界Zn產(chǎn)量的一半左右均用于此種工藝 。鍍鋅層是防止鋼鐵免遭腐蝕的最重要、最經(jīng)濟(jì)且最簡(jiǎn)便的手段之一。鋼鐵上的鍍鋅層不僅有機(jī)械保護(hù)作用，而且還通過(guò)電化學(xué)作用保護(hù)基體免遭腐蝕，即使鍍鋅層不完整也會(huì)起到這個(gè)作用。20世紀(jì)70年代，由于汽車工業(yè)的高速發(fā)展，日、美等汽車出口國(guó)，考慮到車體用的鍍鋅鋼板滿足不了汽車在高寒鹽砂地帶行駛的防護(hù)性能的要求，于是研究了在鋼一鐵基體上鍍ZnFe或ZnNi合金，以取代鍍鋅層來(lái)

12、提高抗蝕性。鋅鐵合金的應(yīng)用，國(guó)內(nèi)外主要是鋅酸鹽體系，氯化物體系大多只見(jiàn)到過(guò)專利文獻(xiàn)，偶見(jiàn)應(yīng)用實(shí)例報(bào)道。國(guó)內(nèi)鋅一鐵合金電鍍研究起步較晚，從總體看，應(yīng)用僅僅是開(kāi)始，在繼續(xù)研究之中，現(xiàn)有生產(chǎn)實(shí)踐已顯示出Zn-Fe合金其獨(dú)特優(yōu)良的防護(hù)性能，是很有發(fā)展前景的工藝之一。在氯化鉀鍍鋅液的基礎(chǔ)上，選擇適宜的添加劑及絡(luò)合劑，以及適當(dāng)?shù)墓に嚄l件以確保形成良好的Zn-Fe合金鍍層，形成了一種裝飾防護(hù)性鍍層，鍍層中微量的鐵參與鈍化膜的成膜過(guò)程，能改變鈍化膜的構(gòu)成，從而大大提高其耐蝕性。隨著我國(guó)加入WTO步伐的加快，鋼鐵工業(yè)面臨著更為嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。調(diào)整產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，發(fā)展深加工、高附加值產(chǎn)品，提高產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力勢(shì)在必行，其中開(kāi)發(fā)鍍

13、鋅板等涂鍍產(chǎn)品便是方向之一。鋼板進(jìn)行鍍鋅，是因?yàn)殇\在腐蝕環(huán)境中能對(duì)鋼基起到陽(yáng)極保護(hù)作用，并在表面形成耐腐蝕性良好的薄膜，經(jīng)鍍鋅之后的鋼材，大大地延長(zhǎng)了使用壽命。鍍鋅板良好的耐腐蝕性，使其得到了廣泛應(yīng)用。如汽車行業(yè)，為提高車體防銹蝕性能，就大量使用了鍍鋅板。美國(guó)Chrysler汽車公司早在1984年就提出：Plymuth Voyage小汽車可達(dá)到5年5萬(wàn)km無(wú)銹斑。電鍍鋅板帶主要用于制造家電外殼、電腦機(jī)箱及DVD外殼、歐美系汽車外板等。近年來(lái)，隨著轎車產(chǎn)量的逐年遞增，家用電器和電腦的普及。以及電子產(chǎn)品的大量出口，電鍍鋅板帶的消費(fèi)量增長(zhǎng)較快鍍鋅板在我國(guó)也得到了廣泛應(yīng)用，主要用于建筑、輕工、汽車、農(nóng)

14、牧漁業(yè)、商業(yè)等行業(yè)。其中：建筑業(yè)用鍍鋅板作防大氣腐蝕的工業(yè)及民用建筑屋面板、通風(fēng)管道、輕型結(jié)構(gòu)等，約占總用量的2025；輕工行業(yè)用其制造家電的外殼、民用煙囪、防盜門(mén)以及廚具等，約占總用量的30；汽車用鍍鋅板正處于發(fā)展時(shí)期，目前占總用量的10左右，2005年估計(jì)占總用量的1520；農(nóng)牧漁業(yè)用鍍鋅板作糧食儲(chǔ)運(yùn)、肉類及水產(chǎn)品的冷凍加工用具等，約占總用量的青島農(nóng)業(yè)大學(xué)海都學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）210；商業(yè)用鍍鋅板主要作物資的儲(chǔ)運(yùn)、包裝用具，估計(jì)占總用量的10，其它行業(yè)用量約占總量的15左右。1992年我國(guó)鍍鋅板表觀消費(fèi)量突破100萬(wàn)噸，1998年為2105萬(wàn)噸，1999年約2919萬(wàn)噸，有關(guān)專家預(yù)測(cè)

15、到2005年將達(dá)到400萬(wàn)噸。但國(guó)產(chǎn)鍍鋅板的市場(chǎng)占有率卻只有50左右，雖然近年來(lái)我國(guó)新上多條鍍鋅生產(chǎn)線，但仍不能滿足消費(fèi)市場(chǎng)增長(zhǎng)的需求，每年仍有大量鍍鋅板進(jìn)口。1999年我國(guó)鍍鋅板的產(chǎn)量為110萬(wàn)噸，1999年110月份中國(guó)進(jìn)口鍍鋅板130萬(wàn)噸，全年估計(jì)150萬(wàn)噸，可見(jiàn)缺口比較大。鍍鋅板是國(guó)產(chǎn)鋼材品種中自給率和市場(chǎng)占有率最低的一個(gè)品種。據(jù)統(tǒng)計(jì)，去年鍍鋅板的表觀消費(fèi)量為762多萬(wàn)噸，而國(guó)產(chǎn)的只有231萬(wàn)噸，進(jìn)口量高達(dá)537萬(wàn)噸，自給率僅為30.34。進(jìn)口產(chǎn)品中，35是寬度600mm以上的電鍍鋅板，58為寬度600mm以上的熱鍍鋅板，2003年國(guó)產(chǎn)生產(chǎn)只增長(zhǎng)74，但消費(fèi)量卻增長(zhǎng)了4167，市場(chǎng)供需

16、矛盾十分突出。18月份的鍍鋅板(帶)進(jìn)口量依然高達(dá)36887萬(wàn)噸，比上年同期增長(zhǎng)1376。上半年，國(guó)產(chǎn)鍍鋅板在國(guó)內(nèi)市場(chǎng)的占有率為40，同比上升了11個(gè)百分點(diǎn)。缺口仍然較大，特別是一些緊缺的品種，更是供不應(yīng)求。如小鋅花、無(wú)鋅花品種以及鋅鐵合金產(chǎn)品、深 中級(jí)和超深 中級(jí) 高強(qiáng)度的品種，還無(wú)法滿足汽車、家電等行業(yè)迅速發(fā)展的需求。這是導(dǎo)致國(guó)內(nèi)鍍鋅板市場(chǎng)持續(xù)看好的主導(dǎo)原因之一。2003年底，已建成的鍍鋅機(jī)組32條，產(chǎn)能583萬(wàn)噸，此外還有16條機(jī)組在建，產(chǎn)能約476萬(wàn)噸，預(yù)計(jì)2004年將新增產(chǎn)能261萬(wàn)噸。近年來(lái)，隨著建筑業(yè)的快速發(fā)展，鋼結(jié)構(gòu)的廣泛應(yīng)用，汽車、家電等制造業(yè)產(chǎn)能的迅速擴(kuò)展，對(duì)鍍鋅板的需求在

17、數(shù)量、質(zhì)量上也提出了較高的要求。比如用于工業(yè)的鋅鐵合金鍍層熱鍍鋅板，要求具有涂漆粘著性好，涂漆后耐腐蝕性能好，焊接性能好等特性，但國(guó)內(nèi)的這類產(chǎn)品很少。無(wú)鋅花、小鋅花及光整鋅花和經(jīng)過(guò)合金化處理的產(chǎn)品，熱鍍鋅鋼板的表面再電鍍鐵、鋅或鋅鎳的熱鍍鋅產(chǎn)品，高強(qiáng)度、重深沖及超深；中級(jí)的熱鍍鋅鋼板，都不能滿足汽車工業(yè)的需求。在家電行業(yè)，一般采用鍍層厚、耐腐蝕性能好、生產(chǎn)成本低的熱鍍鋅鋼板，由于多數(shù)連續(xù)熱鍍鋅生產(chǎn)線是為建材而設(shè)計(jì)的，生產(chǎn)的低碳鋁鎮(zhèn)靜鋼熱鍍鋅板沖壓性能有限。國(guó)際市場(chǎng)的鍍鋅板需求強(qiáng)勁。價(jià)格看漲，國(guó)內(nèi)一些鋼廠加大出口力度，鍍鋅板的出口量大幅上升。18月份，國(guó)產(chǎn)鍍鋅板出口量達(dá)到2116萬(wàn)噸， 比去年同

18、期猛增444.77，一定程度上加劇了國(guó)內(nèi)市場(chǎng)的供需矛盾。2005年，我國(guó)的鍍鋅板總消費(fèi)量約為1250萬(wàn)噸，其中熱鍍鋅板為985萬(wàn)噸，電鍍板265萬(wàn)噸。屆時(shí)比目前的23的水平有較大提高，但與世界8的平均水平還有一定的差距。由于國(guó)內(nèi)市場(chǎng)的需求增長(zhǎng)，特別是一些高質(zhì)量、高檔次熱鍍鋅板消費(fèi)快速遞增，因此，這部分鍍鋅板依然供不應(yīng)求，仍將呈現(xiàn)“貨緊價(jià)揚(yáng)”的運(yùn)行態(tài)勢(shì)。電鍍鋅板的優(yōu)勢(shì)：(1)加工成型性、焊接性和涂漆性更加優(yōu)良：電鍍鋅板既是一種耐腐蝕的鍍層產(chǎn)品，青島農(nóng)業(yè)大學(xué)海都學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）3又具有和原板一樣的加工性能，及優(yōu)良的焊接性、良好的油漆粘著性。近年國(guó)內(nèi)新建了大量的熱鍍鋅生產(chǎn)線，而新建的電鍍鋅機(jī)

19、組很少。熱鍍鋅鋼板的發(fā)展遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)電鍍鋅鋼板的發(fā)展，但也只是部分取代電鍍鋅鋼板。(2)表面質(zhì)量更加優(yōu)良：電鍍鋅板產(chǎn)品的外觀美麗，鍍層分布均勻，沒(méi)有污點(diǎn)，其焊接性、涂漆性和沖壓成型性都比熱鍍鋅板好。鍍層可薄至10gm ，也可厚至120gm ，單面、雙面或差厚鍍層在生產(chǎn)時(shí)可方便地切換。該產(chǎn)品種類繁多，可鍍純鋅，也可鍍鋅鎳合金等。電鍍鋅板主要用于家用電器和鋼制家具、建筑墻面、門(mén)板和窗柜以及集裝箱。(3)生產(chǎn)中不改變?cè)宓牧W(xué)性能：隨著汽車行業(yè)的發(fā)展，對(duì)汽車車身的腐蝕壽命提出1O年的要求，加之電鍍鋅鋼板具有和原板一樣的加工性能，且焊接性和油漆附著性都很好，因而汽車行業(yè)開(kāi)始大量采用電鍍鋅鋼板代替原鋼板制造

20、車輛面板。20世紀(jì)7O年代電鍍鋅板得到了較快的發(fā)展，世界上建設(shè)了不少電鍍鋅機(jī)組，電鍍鋅工藝、電鍍鋅技術(shù)以及電鍍鋅產(chǎn)品均得到很大發(fā)展。電鍍鋅的生產(chǎn)工藝方法很多。目前，世界上鍍鋅生產(chǎn)線約有400多條，其中電鍍鋅生產(chǎn)線約占14，鍍鋅板年生產(chǎn)能力已超過(guò)8000萬(wàn)噸。 圖 1.1 鍍鋅板在筆記本散熱板的應(yīng)用 所以本次實(shí)驗(yàn)從鍍鋅板與不同焊料之間連接的可靠性入手。 本文的主要研究工作：青島農(nóng)業(yè)大學(xué)海都學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）41. 選取不同的典型的無(wú)鉛焊料 Sn-Ag-Cu、Sn-Sb-Cu 與鍍鋅板之間進(jìn)行焊接，對(duì)比觀察不同無(wú)鉛焊料與鍍鋅板之間的潤(rùn)濕性和界面反應(yīng)產(chǎn)物。2. 將 Fe-Sn/Sn-Ag-Cu

21、、Fe-Sn/Sn-Sb-Cu 在不同溫度和時(shí)間下進(jìn)行反應(yīng)，觀察時(shí)效后兩者的界面反應(yīng)產(chǎn)物的生長(zhǎng)。3. 對(duì)連接體進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，觀察它的力學(xué)性能和斷口形貌。青島農(nóng)業(yè)大學(xué)海都學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）5第二章 樣品的制備2.1.鐵樣品的制備 選取鐵塊樣品，用線切割（數(shù)控電火花線切割機(jī)床）的方法將其分割成若干個(gè)長(zhǎng)方體。 用砂紙打磨，砂紙依次選用 200CM、600CM、2000CM/、2400CM。2.2.電解液的配置2.21.電解液的選取各種溶液名稱成分含量（g/L）條件ZnCl26080溫度：1050KCl180200PH：4.55.5H3BO32535DK：13A/dm2鍍鋅液組合光亮劑適量時(shí)間：

22、根據(jù)鍍層厚度定表 2.1 電解液的選取2.22.電解液的配置a.用蒸餾水溶解計(jì)算量的氯化鉀，溶解時(shí)不斷攪拌，溶解后過(guò)濾到鍍槽中.b.在另一個(gè)容器中用沸騰的水溶解計(jì)算量的硼酸，然后倒入鍍槽中.c.用上述氯化鉀和硼酸溶液溶解氯化鋅。d.取鍍液進(jìn)行分析，并做赫爾槽實(shí)驗(yàn)，確認(rèn)質(zhì)量沒(méi)有問(wèn)題，加入光亮劑，攪拌均勻，調(diào)整鍍液 pH 值。2.3.電鍍 氯化鉀鍍鋅的工藝流程如下圖：青島農(nóng)業(yè)大學(xué)海都學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）6 圖 2.1 氯化鉀鍍鋅工藝流程本次試驗(yàn)采用輥涂法生產(chǎn)單面鍍鋅板。輥涂法是使鋼板的一側(cè)表面與鋅液接觸來(lái)實(shí)現(xiàn)單面鍍鋅的方法。采用與涂料涂裝相似的方式，用特制的輥涂輥沾取熔融的鋅液，然后涂于帶鋼一

23、側(cè)表面上形成鍍鋅層，輥涂裝置的示意圖如下圖所示。青島農(nóng)業(yè)大學(xué)海都學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）7 圖2.2 輥鍍法單面鍍鋅裝置輥涂裝置中采用的關(guān)鍵部件是涂鋅輥。它必須與鋅液之間有很好的浸潤(rùn)性，而且要耐浸蝕，它的熱變形要小，能長(zhǎng)期保持輥面的平整和光滑。如同噴流方法一樣，鋅鍋需要密封并用氧氣保護(hù)，在鍍鋅后另一側(cè)面生成的鐵的氧化膜要經(jīng)過(guò)電化學(xué)清洗來(lái)除去。青島農(nóng)業(yè)大學(xué)海都學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）8青島農(nóng)業(yè)大學(xué)海都學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）92.4.焊接 分別取 Sn-Ag-Cu 焊膏和 Sn-Sb-Cu 焊料，在鍍鋅板表面回流，回流溫度分別為 260和 300，回流時(shí)間為 30 秒。2.5對(duì)焊接樣品的處理用電

24、火花線切割機(jī)分別將樣品切成 4 塊，并磨制切開(kāi)的表面到 2000CW，機(jī)械拋光過(guò)程中拋光膏選擇 1um 的，拋光時(shí)間約為 5 分鐘。2.6掃描電鏡 將樣品放入掃描電子顯微鏡（SEM）中，觀察樣品的組織形貌，對(duì)不同焊料的成分進(jìn)行分析。圖 2.3 掃描電子顯微鏡2.7.固態(tài)時(shí)效取兩種樣品其中的三塊，放入 HN101-2A 鼓風(fēng)干燥箱中，設(shè)定溫度為 150，時(shí)效時(shí)間分別為兩天、五天、八天。2.8. 試樣拉伸。將樣品制成如下形狀，對(duì)其進(jìn)行拉伸試驗(yàn)。青島農(nóng)業(yè)大學(xué)海都學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）10試樣形狀與尺寸： 圖 2.4 試樣形狀焊料部分長(zhǎng)度 0.4mm, 截面積分別如下：編號(hào) 尺寸0 天 0.76x0

25、.75 （mm）2 0.73x0.77 5 0.75x0.8210 0.85x0.86 (1).準(zhǔn)備試件。用刻線機(jī)在原始標(biāo)距 范圍內(nèi)刻劃圓周線（或用小鋼沖打小沖點(diǎn)），將標(biāo)距內(nèi)分為等長(zhǎng)的 10 格。用游標(biāo)卡尺在試件原始標(biāo)距內(nèi)的兩端及中間處兩個(gè)相互垂直的方向上各測(cè)一次直徑，取其算術(shù)平均值作為該處截面的直徑，然后選用三處截面直徑的最小值來(lái)計(jì)算試件的原始截面面積A。（取三位有效數(shù)字）。 (2).調(diào)整試驗(yàn)機(jī)。根據(jù)低碳鋼的抗拉強(qiáng)度b 和原始橫截面面積估算試件的最大載荷，配置相應(yīng)的擺錘，選擇合適的測(cè)力度盤(pán)。開(kāi)動(dòng)試驗(yàn)機(jī)，使工作臺(tái)上升10mm 左右，以消除工作臺(tái)系統(tǒng)自重的影響。調(diào)整主動(dòng)指針對(duì)準(zhǔn)零點(diǎn)，從動(dòng)指針與主

26、動(dòng)指針靠攏，調(diào)整好自動(dòng)繪圖裝置。 (3).裝夾試件。 分別將上、下夾具裝到試驗(yàn)機(jī)的上、下接頭上，插上插銷，旋緊鎖緊螺母。先搬動(dòng)上夾具的上搬把，使鉗口張開(kāi)適當(dāng)?shù)膶挾?，大于所裝試樣的厚度即可；將試樣一端放入上夾具鉗口之間，并使試樣位于鉗口的中央，松開(kāi)上搬把，將試樣上端夾緊。在夾好試樣一端后，力值清零再夾另一端。 將大變形的上下夾頭夾在試樣的中部，并保證上下夾頭之間的頂桿接觸，以保證試樣原始標(biāo)距的正確。本實(shí)驗(yàn)頂桿的間距設(shè)置為 50mm。(4).檢查與試車。請(qǐng)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)教師檢查以上步驟完成情況。開(kāi)動(dòng)試驗(yàn)機(jī)，預(yù)加少量載荷（載荷對(duì)應(yīng)的應(yīng)力不能超過(guò)材料的比例極限），然后卸載到零，以檢查試驗(yàn)機(jī)工作是否正常。 (

27、5).進(jìn)行試驗(yàn)。開(kāi)動(dòng)試驗(yàn)機(jī)，緩慢而均勻地加載，仔細(xì)觀察測(cè)力指針轉(zhuǎn)動(dòng)和繪圖裝置繪出 圖的情況。注意捕捉屈服荷載值，將其記錄下來(lái)用以計(jì)算屈服點(diǎn)應(yīng)力值S,屈服階段注意觀察滑移現(xiàn)象。過(guò)青島農(nóng)業(yè)大學(xué)海都學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）11了屈服階段，加載速度可以快些。將 要達(dá)到最大值時(shí)，注意觀察 “縮頸”現(xiàn)象。試件斷后立即停車，記錄最大荷載值。 (6).取下試件和記錄紙。 (7).用游標(biāo)卡尺測(cè)量斷后標(biāo)距。 (8).用游標(biāo)卡尺測(cè)量縮頸處最小直徑 d1。青島農(nóng)業(yè)大學(xué)海都學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）12第三章 試驗(yàn)結(jié)果與討論3.1 電鍍后的表面形貌與成分分析 圖 3.1a 鍍鋅板的界面 圖 3.1b 鍍鋅板的界面青島農(nóng)業(yè)

28、大學(xué)海都學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）13 圖 3.1 中為鍍鋅板 Zn 層表面在 SEM 下的形貌，可以看出 Zn 鍍層表面比較光滑，微觀上可以看出表面呈階梯狀分布，對(duì)其表面進(jìn)行面掃，得出 EDS 結(jié)果如能譜和成分表所示： 能譜圖 3.1 表 3.1 成分表 可以看出板表面主要成分是 Zn，而由于 Zn 層太薄，電子束穿透 Zn 層，打到 Fe 基體上，所以成分表中還有少量的 Fe。ElementWeight%Atomic%Si K9.3719.29Fe K3.753.88Zn K86.8876.83Totals100.00青島農(nóng)業(yè)大學(xué)海都學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）143.2.Fe-Zn/Sn-Ag

29、-Cu 連接體界面的組織結(jié)構(gòu) 圖 3.2 時(shí)效前 Fe-Zn/Sn-Ag-Cu 連接體的界面 如圖 3.2，深顏色部分是 Fe 基體，發(fā)亮的部分為 Sn-Ag-Cu 焊料。典型的焊料 Sn-Ag-Cu 微觀組織可以分為幾個(gè)部分：錫基體，基體周圍彌散分布的 Ag3Sn 以及 Cu6Sn5化合物。從圖中可以很明顯的看出時(shí)效前焊料部分分布著淺顏色的針狀化合物，和顏色比較暗的顆粒狀化合物。經(jīng)過(guò) EDS 能譜分析，針狀化合物為 Ag3Sn 化合物，深色顆粒狀部分為Cu6Sn5化合物。青島農(nóng)業(yè)大學(xué)海都學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）15 標(biāo)定位置圖 3.21 能譜圖 3.21 表 3.21 標(biāo)定位置成分表Elem

30、entWeight%Atomic%Zn K1.051.81Ag L42.3944.38Sn L56.5653.81Totals100.00 標(biāo)定位置的成分為 Ag3Sn，原子比 Ag：Sn 應(yīng)為 3:1，而實(shí)際成分 Sn 反而多于 Ag，這是由于 Ag3Sn 顆粒尺寸小于電子束束斑，所以有部分電子打在了焊料的 Sn 上，影響了成分比例。青島農(nóng)業(yè)大學(xué)海都學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）16標(biāo)定位置圖 3.22 能譜圖 3.22 表 3.22 標(biāo)定位置成分表ElementWeight%Atomic%Cu K35.1149.38Zn K2.863.92Sn L62.0346.71Totals100.00 由

31、表 3.22 可以看出，所標(biāo)部分為典型的金屬間化合物 Cu6Sn5, 同時(shí)里面還有少量的 Zn 存在，表明 Fe-Zn/Sn-Ag-Cu 連接體界面的 Zn 成分向焊料內(nèi)部發(fā)生了擴(kuò)散，與金屬間化合物 Cu6Sn5中的 Cu 反應(yīng)生成了 Cu5Zn8化合物。青島農(nóng)業(yè)大學(xué)海都學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）17標(biāo)定位置圖 3.23 能譜圖 3.23 表 3.23 標(biāo)定位置成分表ElementWeight%Atomic%Fe K20.3133.99Cu K0.821.20Zn K0.751.07Ag L28.2224.45Sn L49.9039.29Totals100.00 對(duì)連接體界面進(jìn)行成分分析，發(fā)現(xiàn)界

32、面上除了 Fe 元素以及 Ag3Sn 化合物外，也分布著少量的 Zn。和 Cu6Sn5中的 Zn 含量對(duì)比，發(fā)現(xiàn)界面上的 Zn 量更少。由此可以看出在焊料回流以后，F(xiàn)e-Zn/Sn-Ag-Cu 連接體界面的 Zn 向焊料部分發(fā)生了擴(kuò)散。青島農(nóng)業(yè)大學(xué)海都學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）183.3 Fe-Zn/Sn-Sb-Cu 連接體界面的組織結(jié)構(gòu) 圖 3.3a 時(shí)效前 Fe-Zn/Sn-Sb-Cu 連接體的界面圖 3.3b 時(shí)效前 Fe-Zn/Sn-Sb-Cu 連接體的界面 如圖 3.4a、3.4b，下方深色部分為 Fe 基體，上方發(fā)亮部分為 Sn-Sb-Cu 焊料。其中，焊料中均勻分布的顏色較深的部分

33、為金屬間化合物 Cu6Sn5，還可以看到顏色稍暗于焊料的塊狀部分，通過(guò)能譜分析發(fā)現(xiàn)其主要成分為 SnSb 固溶體，由于 Sn 和 Sb 原子序數(shù)相鄰，所以它的顏色和 Sn 顏色相差不大，不好辨認(rèn)。固溶體中 Sn 與 Sb 的原子百分比約為5:4。SnSb青島農(nóng)業(yè)大學(xué)海都學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）19詳細(xì)成分如能譜和成分表所示標(biāo)定位置圖 3.31 能譜圖 3.31 表 3.31 標(biāo)定位置成分表ElementWeight%Atomic%Sn L57.5058.12Sb L42.5041.88Totals100.00青島農(nóng)業(yè)大學(xué)海都學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）20標(biāo)定位置 3.32 能譜圖 3.32 表

34、3.32 標(biāo)定位置成分表ElementWeight%Atomic%Cu K37.3252.65Sn L62.6847.35Totals100.00青島農(nóng)業(yè)大學(xué)海都學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）213.4 Fe-Zn/Sn-Cu 連接體界面 150時(shí)效不同時(shí)間后的焊料內(nèi)部微觀形貌和界面組織變化 圖 3.41 時(shí)效 2 天 Fe-Zn/Sn-Ag-Cu 連接體的界面 圖 3.42 時(shí)效 5 天 Fe-Zn/Sn-Ag-Cu 連接體的界面青島農(nóng)業(yè)大學(xué)海都學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）22 圖 3.43 時(shí)效 8 天 Fe-Zn/Sn-Ag-Cu 連接體的界面 通過(guò)圖 3.5、圖 3.6、圖 3.7 的對(duì)比，我們

35、可以清楚的看出時(shí)效后 Fe-Zn/Sn-Ag-Cu 連接體的焊料內(nèi)部化合物的變化，時(shí)效前針狀的 Ag3Sn 化合物不同于預(yù)想中有明顯長(zhǎng)大，反而由針狀隨著時(shí)效時(shí)間的增加逐漸球化為細(xì)小的顆粒，且在焊料中的呈更加均勻分布態(tài)勢(shì)。而 Cu6Sn5化合物隨時(shí)效時(shí)間增長(zhǎng)并沒(méi)有明顯變化。連接體的界面處也沒(méi)有明顯的化合物出現(xiàn)。青島農(nóng)業(yè)大學(xué)海都學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）23 圖 3.44 時(shí)效 2 天 Fe-Zn/Sn-Sb-Cu 連接體的界面 圖 3.45 時(shí)效 5 天 Fe-Zn/Sn-Sb-Cu 連接體的界面 青島農(nóng)業(yè)大學(xué)海都學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）24 圖 3.46 時(shí)效 8 天 Fe-Zn/Sn-Sb-C

36、u 連接體的界面從時(shí)效前后 Fe-Zn/Sn-Sb-Cu 連接體的界面的化合物形貌可以看出，時(shí)效前 Cu6Sn5化合物在界面上不連續(xù)分布且數(shù)量較少。時(shí)效兩天后化合物向界面發(fā)生偏聚，逐漸形成連續(xù)分布且厚度有所增加。隨時(shí)效時(shí)間的增長(zhǎng)，界面化合物厚度并沒(méi)有繼續(xù)增長(zhǎng)，而保持在一個(gè)穩(wěn)定的狀態(tài)。青島農(nóng)業(yè)大學(xué)海都學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）253.5Fe-Zn/Sn-Cu 連接體的拉伸曲線. -0.605101520253035Displacement(mm)Load (kN)Load (kN) 圖 3.51 Fe-Zn/Sn-Cu 連接體時(shí)效前的拉伸曲線-0.0500.0

37、50.4051015202530Displacement(mm)Load(KN)Load (kN) 圖 3.52 Fe-Zn/Sn-Cu 連接體時(shí)效 2 天的拉伸曲線-0.0500.050.40.4505101520253035Displacement(mm)Load (kN)Load (kN)圖 3.53 Fe-Zn/Sn-Cu 連接體時(shí)效 5 天的拉伸曲線青島農(nóng)業(yè)大學(xué)海都學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）26-051015202530Displacement(mm)Load (k

38、N)Load (kN) 圖 3.54 Fe-Zn/Sn-Cu 連接體時(shí)效 10 天的拉伸曲線 由圖可見(jiàn)，F(xiàn)e-Zn/Sn-Cu 連接體具有較高的強(qiáng)度，它的特點(diǎn)是軟而韌，斷裂伸長(zhǎng)率大，拉伸強(qiáng)度也較高，但彈性模量低，而它的塑性較差，載荷-伸長(zhǎng)量曲線上不會(huì)出現(xiàn)易滑移階段，拉伸曲線為拋物線型。t按公式式(1-1)計(jì)算t=P/(bd) （1-1）式中 t 抗拉伸強(qiáng)度或拉伸斷裂應(yīng)力或拉伸屈服應(yīng)力或偏置屈服應(yīng)力，MPa； P 最大負(fù)荷或斷裂負(fù)荷或屈服負(fù)荷或偏置屈服負(fù)荷，N； b 試樣寬度，mm； d 試樣厚度，mm。斷裂伸長(zhǎng)率 t 按式(1-2)計(jì)算： t=（G-G0）/G0100 （1-2） 式中 t 斷

39、裂伸長(zhǎng)率，； Go 試樣原始標(biāo)距，mm； G 試樣斷裂時(shí)標(biāo)線間距離，mm。青島農(nóng)業(yè)大學(xué)海都學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）27 由圖 3.51、圖 3.52、圖 3.53、圖 3.54 以及所得數(shù)據(jù)，我們可以得出時(shí)效前 Fe-Zn/Sn-Cu 連接體的最大負(fù)荷為 0.33KN, 試樣斷裂時(shí)標(biāo)線間距離為 32.01mm，時(shí)效 2 天Fe-Zn/Sn-Cu 連接體的最大負(fù)荷為 0.29KN, 試樣斷裂時(shí)標(biāo)線間距離為 27.09mm，時(shí)效 5天 Fe-Zn/Sn-Cu 連接體的最大負(fù)荷為 0.34KN, 試樣斷裂時(shí)標(biāo)線間距離為 29.41mm，時(shí)效10 天 Fe-Zn/Sn-Cu 連接體的最大負(fù)荷為 0.3

40、1KN, 試樣斷裂時(shí)標(biāo)線間距離為 27.19mm。 考慮到在實(shí)驗(yàn)中存在著誤差已經(jīng)焊料部分截面積的差別，時(shí)效前后 Fe-Zn/Sn-Cu 連接體的最大負(fù)荷基本上沒(méi)有變化，抗拉伸強(qiáng)度 t沒(méi)有明顯變化。 由前面的可知焊料部分試樣原始標(biāo)距 Go 為 0.4mm，由公式(1-2)計(jì)算可得：時(shí)效前 Fe-Zn/Sn-Cu 連接體的斷裂伸長(zhǎng)率 t為： 800%時(shí)效 2 天 Fe-Zn/Sn-Cu 連接體的斷裂伸長(zhǎng)率 t為：678%時(shí)效 5 天 Fe-Zn/Sn-Cu 連接體的斷裂伸長(zhǎng)率 t為：735%時(shí)效 10 天 Fe-Zn/Sn-Cu 連接體的斷裂伸長(zhǎng)率 t為：680% 由計(jì)算可看出 Fe-Zn/Sn-

41、Cu 連接體有著很好的延伸率，即很好的延展性，而時(shí)效后Fe-Zn/Sn-Cu 連接體的斷裂伸長(zhǎng)率 t有了明顯下降，隨著失效時(shí)間的增加 Fe-Zn/Sn-Cu連接體的斷裂伸長(zhǎng)率 t變化十分微小。3.6.連接體的斷口形貌。青島農(nóng)業(yè)大學(xué)海都學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）28 圖 3.6a Fe-Zn/Sn-Cu 連接體的宏觀斷口形貌 圖 3.6b Fe-Zn/Sn-Cu 連接體的宏觀斷口形貌青島農(nóng)業(yè)大學(xué)海都學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）29 圖 3.6c Fe-Zn/Sn-Cu 連接體的微觀斷口形貌圖為 SEM 下連接體的斷口形貌,由圖可見(jiàn),斷口上存在大量的韌窩,明顯呈微孔聚集型韌性斷裂,在韌窩外側(cè)邊緣上有明顯

42、撕裂滑移痕,并可以清晰地看到在韌窩底部有許多細(xì)小的顆粒,另外在整個(gè)斷口上沒(méi)有發(fā)現(xiàn)具有小平面特征的斷裂區(qū)域,即不存在顆粒的斷裂,說(shuō)明此處為“拔出”型斷裂,其原因是由基體滑移產(chǎn)生的塑性變形和顆粒與基體結(jié)合界面處的脫粘造成的.其形成機(jī)理為:連接體在外力作用下,不能隨基體進(jìn)行連續(xù)變形,在此處發(fā)生位錯(cuò)塞積,產(chǎn)生應(yīng)力集中,這些質(zhì)點(diǎn)與基體結(jié)合界面脫離形成微孔,隨著應(yīng)力增加,微孔不斷長(zhǎng)大,相互吞并,使微孔形成的裂紋進(jìn)一步擴(kuò)展導(dǎo)致材料縮頸和斷裂。青島農(nóng)業(yè)大學(xué)海都學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）30第四章 結(jié)論通過(guò)兩種不同成分的焊料 Sn-Ag-Cu 和 Sn-Sb-Cu 在 Fe 基體的鍍 Zn 板上回流并時(shí)效不同時(shí)間

43、發(fā)現(xiàn)：1 Sn-Ag-Cu 焊料回流后，焊料內(nèi)部主要由三個(gè)部分組成：錫基體，彌散分布在基體周圍的 Ag3Sn 化合物和 Cu6Sn5化合物?；亓骱蠼缑嫔?Zn 含量減少，Zn 鍍層向 Sn-Ag-Cu 焊料中發(fā)生了擴(kuò)散。由于 Zn 比較活潑，與焊料中的 Cu 形成了 Cu5Zn8化合物。在 Sn-Ag-Cu焊料與鍍 Zn 板的界面上沒(méi)有形成明顯的化合物。隨著時(shí)效時(shí)間的增長(zhǎng)，焊料中針狀的Ag3Sn 化合物球化，變成細(xì)小的顆粒狀且在焊料中分布更加均勻。但 Cu6Sn5化合物與界面處組織均沒(méi)有明顯變化。2 Sn-Sb-Cu 回流后在焊料內(nèi)部均勻分布著 Cu6Sn5化合物以及塊狀的 SnSb 固溶體。

44、在焊料與鍍 Zn 板的連接體界面處偏聚著大量的 Cu6Sn5化合物，但此時(shí)化合物并沒(méi)有貫穿這個(gè)界面，而是呈不連續(xù)分布。時(shí)效后界面處的化合物逐漸形成連續(xù)分布且厚度有所增加。但隨著時(shí)效時(shí)間的增長(zhǎng)化合物厚度并沒(méi)有發(fā)生明顯的增加。3. Fe-Zn/Sn-Cu 連接體具有較高的強(qiáng)度斷裂伸長(zhǎng)率大，拉伸強(qiáng)度也較高，F(xiàn)e-Zn/Sn-Cu連接體良好的延展性在 150C 溫度下有所降低，卻隨著失效時(shí)間的增加并沒(méi)有明顯下降。青島農(nóng)業(yè)大學(xué)海都學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）31參考文獻(xiàn)1 董志洪,我國(guó)鍍鋅板生產(chǎn)現(xiàn)狀與未來(lái)發(fā)展趨勢(shì), 中國(guó)金屬通報(bào),2009年.2 王愛(ài)華，朱久發(fā)，我國(guó)電鍍鋅板發(fā)展趨勢(shì)的探討，軋 鋼，2008年8月.3 劉長(zhǎng)林