某某工厂-专业生产加工、定做各种金属工艺品

研究了电沉积Ni-W在低碳钢基体上的疲劳响应。所考虑的镍-W涂层是有毒硬铬涂层的有希望的替代品，根据欧盟指令，必须消除有毒硬铬涂层。比较了纯基材和涂层覆盖的试样。在应力控制疲劳实验中，涂层试样在较高的应力幅值下表现出比未涂层试样更低的抗疲劳性。然而，在较低的应力幅值下，两种试验类型的疲劳强度相似。使用压痕技术证明了涂层的循环软化。

电化学沉积（也称为电沉积）是制备粘附金属涂层最常用的技术之一，用于改善基材的不同性能。电沉积涂层不仅用于保护金属基材免受腐蚀，还赋予装饰外观，增强耐磨性，改善电气性能和可焊性等。

硬铬是汽车、航空航天和表面工程中使用最广泛的涂料之一，用于装饰和功能目的。尽管此类涂料具有优异的性能和低制造成本，但其制备中使用的电解质溶液含有有毒的六价Cr（VI）离子，因此必须消除这些离子。

此后，这一声明促使了旨在寻找铬替代品的广泛研究51漫画。此外，众所周知，由于涂层中包含的高残余拉伸应力和微裂纹密度，硬铬电镀会降低部件的抗疲劳性。这种涂层的一个有希望的替代品可能是含有难熔金属（如Ni-W）的镍基合金，其特点是高硬度和高耐磨性，耐热性和耐腐蚀性。

事实上，许多研究人员已经合成了纳米晶Ni-W合金来检查其各种性能。然而，应该注意的是，由于两种金属的熔点差异很大（Ni—1455°C，W-3410°C）并且它们的相互溶解度有限，因此很难通过常规热方法获得这种特殊的合金。从电解质水溶液（温度低于100°C）电沉积是一种廉价而简单的方法，非常适合制造Ni-W涂层，因为它可以均匀覆盖基板表面并同时控制涂层厚度和微观结构，从而允许设计涂层性能。

然而，在金属涂层的电沉积过程中，氢作为阴极过程的副反应而逸出。这种氢可能会扩散到钢晶格（基板）中，当组件承受载荷时会导致延迟脆化。尽管希利尔和罗宾逊（Ref 16）研究了电镀过程中发生的氢效应，但涂层过程产生的氢量尚未得到充分记录。

众所周知，工程建设项目中出现的大多数裂纹都是由疲劳过程引起的。当材料反复加载和卸载时，就会发生疲劳效应。如果这种循环载荷高于某个阈值，则在应力集中器（例如表面/晶粒界面）处会发生塑性变形和/或开始形成微观裂纹。

循环加载后，裂纹发展到临界尺寸并突然扩展，导致结构失效。通常，这些变形是不可逆的，因此会改变材料的应力-应变关系。根据其原始状态，材料可能显示循环硬化、循环软化或循环饱和。Hanlon等人发现，与传统微晶Ni（13 μm）相比，电沉积产生的全致密纳米晶（100 nm）和超细晶体（1 nm）Ni表现出更长的应力控制疲劳寿命。

基于疲劳裂纹扩展试验的结果，作者指出纳米晶态中的晶粒细化会对抗疲劳断裂产生有害影响。Sriraman等人研究了涂有电沉积纳米晶Ni-W合金的钢样品，该样品在最大应力为325 MPa下进行测试，报告说样品在3.5×10内失效5周期。

相比之下，在相同最大应力下测试的未涂层试样即使在 2.5 × 10 之后也不会失效6周期。作者将疲劳行为的这种差异解释为反映了涂层中存在拉伸残余应力和固有微裂纹，这导致了基材中疲劳裂纹的早期成核，正如Pertuz等人（Ref 21）对化学镀镍钢所报道的那样。

本研究旨在研究电沉积Ni-W对钢样品（S-N）疲劳响应的影响，其中一侧涂有这些合金。对有涂层和无涂层的试样进行了研究和比较。两种类型的试样均以相同的方式制备，以研究涂层和技术过程对元件疲劳行为的影响。使用具有光学变焦的数码相机监测加载下样品表面的变化。通过光学显微镜和压痕技术检查破碎的样品，以评估涂层的循环软化。

Ni-W涂层使用成熟的工艺（Ref 8，22，23）从含有分析级纯度化学品的硫酸盐 - 柠檬酸盐电解质溶液中进行电化学沉积：NiSO4·7H2O， Na2窝4·2H2O，浓度比W（VI）/Ni（II）等于2（分别为0.2和0.1M）。柠檬酸钠（Na3C6H5O7·2H2O）在浓度（0.3 M）等于电沉积金属浓度之和时用作络合剂、缓冲剂和流平剂。

通过添加浓H 将pH调节至82所以4起始值为 8.9。没有使用增白剂、洗涤剂或润湿剂。Ni-W涂层的电镀是在60 °C下以5 A/dm的恒电流状态进行的，在包含旋转盘电极 （RDE） 的系统中，在恒定的流体动力学条件下对应于 510 rpm 的 RDE 转速。低碳钢盘（0.07 dm2） 由 PAR273A 恒电位仪/恒电流仪供电的直流电用作阴极。

在每个实验之前，对钢基板进行脱脂，机械和化学抛光（在35°C的过氧化氢和草酸溶液中），然后在超声波中用蒸馏水冲洗。作为阳极，铂丝（0.5 dm2） 被使用。所获得的金属、致密且附着良好的钢基体Ni-W（47.7 wt.% W）涂层表征为纳米晶微观结构，平均晶粒尺寸为10 nm。

非标准试样由半径r = 15 mm的涂层圆盘加工而成;涂层圆盘的总厚度为~2 mm，其中~10 μm构成涂层。钢盘（S235JRC冷拔）和试样形状是通过放电加工（EDM）在BP-05d（Zap B.P.）中制备的。数据显示了基材的化学成分。钢的力学性能是通过单轴拉伸试验获得的，其中屈服应力σYS= 350 MPa，极限抗拉强度，σ= 570 MPa，最大伸长率，εf= 16% 被报告。

这些值是所采用的钢类型和加工方法的典型值。设计样品的形状的目的是在测量部件中获得可能的均匀应力分布，同时应力集中。特殊手柄的设计和构造是为了允许测试非典型样品，在MTS 858伺服液压疲劳试验机中以10 Hz的频率和室温进行疲劳试验。

涂层试样疲劳试验在N = 37×10的范围内进行3循环至 N = 540 × 103周期，σ.max= 325 至 425 MPa。对于未包被的样品，这些值的范围从N = 120×103循环至 N = 460 × 103周期，σ.max= 325 至 425 MPa 和 R = σ最小/σ.max= 0.02，所有实验均在受控载荷条件下使用正弦拉伸载荷进行。

位移、载荷和循环时间以数字方式记录。加载下样品表面的变化由具有光学变焦功能的PCO 1200 HS数字高速相机进行监测和记录。CSM开放平台设备用于在微观尺度上进行维氏硬度测量。在微压痕测试中，位移分辨率和负载分辨率分别为0.3 nm和0.1 mN。为了扫描Ni-W薄层的表面，使用了垂直分辨率小于8000nm的Hommel-Etamic T1 Nanoscan扫描轮廓仪。

最常见的是，尽管制造商做出了努力，但发现涂层含有孔隙等缺陷。只要沉积过程涉及相变，通常无论基底制备方法、电镀槽参数 （pH） 和电解条件的操作参数（温度、流体动力学条件、阴极电流密度和阳极类型）如何，都会形成孔（空隙）。孔隙率降低了宏观延展性，因为应变集中在孔隙附近，从而降低了宏观拉伸强度。Kutzelnigg提出，这种孔可以分为两大类：横向孔和掩盖或桥接的孔。

横向孔隙可以是半球形或通道型，并通过涂层从母金属延伸到沉积物表面。掩蔽或桥接的孔不会穿过涂层延伸到表面，而是从母材表面开始并成为桥接，或者在涂层内成为桥接（封闭孔）。影响孔隙率的众多因素之一是基板上存在小的非导电区域。对于本调查中使用的典型结构钢，这似乎也是可能的。图4显示了未加载样品的扫描轮廓仪图片，显示了几乎贯穿整个涂层的横向和半球形孔。

所研究样品的表面形貌如图所示。其中S 一个， S q和 S z分别是算术平均高度、均方根 （RMS） 和最高峰和最深谷之间的高度。参数比较表明，Ni-W涂层的粗糙度远大于钢样的粗糙度。由于钢表面是通过抛光和蚀刻制备的，因此其粗糙度主要是非保形晶界的影响。电沉积工艺不重复基板的粗糙度;相反，会产生更宽的凹凸和凹陷，这可能是疲劳裂纹的来源。另一方面，Ni-W表面上可见的分离小丘增加了粗糙度参数，但不影响疲劳寿命。

然而，加载后涂层的结构是特征性的。众所周知，在拉伸单调测试下，当拉伸载荷达到材料特定的最大值时，均匀拉伸停止。此时，测试样品开始颈部。应力状态逐渐变化，从简单的单轴拉伸到圆棒的复杂三轴应力场或薄带的双轴应力场。

结果，沉积的涂层被损坏。通常，降解现象直接取决于附着力和涂层强度。在大多数情况下，界面处的分层和涂层开裂是结构退化的主要模式。然而，在我们的案例中，界面处的分层在单调或循环载荷下都没有看到。因此，可以得出沉积涂层的良好附着力。

在本研究中观察到典型的疲劳断裂表面从拉伸模式（T）过渡到剪切模式（S）。对于所研究的涂层，拉伸模式与宏观开裂有关，宏观开裂与表面上的单个裂纹重合。在疲劳裂纹扩展的初始区域（区域A）中没有记录到任何其他缺陷的增长。然而，随着疲劳载荷的发生，裂纹尖端周围的涂层逐渐受损，最初由表面（B区）的无形变化到受迫区（损伤区）的净开裂，具有较大的塑性变形。

压痕测试是确定薄涂层材料特性的一种方便且有时独特的方法。压痕测试中测量的最重要参数之一是硬度H，通常解释为平均接触压力。尽管已经多次尝试在硬度测量的基础上估计材料的本构特性，但问题仍未解决，并且没有普遍接受的方法来使用此类测量获得屈服强度和拉伸强度的值。

材料硬度的基本实验研究由Tabor和约翰逊进行。使用锋利压头进行压痕测试的数值模拟在Giannakopoulos和Larsson的一系列论文中进行了介绍。关于钢硬度和抗拉强度之间相关性的详尽报告见。在尖锐压痕测试中，可以区分三个级别，具体取决于印记附近产生的塑性变形量，并且与不同的压痕响应相关。

研究了低碳钢试样，包括未涂层和电沉积镍W合金涂层，并展示了涂层和未涂层试样的不同疲劳性能。应力控制疲劳实验表明，涂层试样在较高的应力幅值下表现出比未涂层试样更低的抗疲劳性。当此类涂层元件用于预期会产生强烈循环载荷的应用时，应考虑到这一点。在较低的应力振幅下，两种试样的疲劳强度相似。

使用压痕技术证明了疲劳损伤导致的循环软化，软化程度与试样失效损伤的发展阶段以及所研究区域和主要裂纹的相对相互定位直接相关。在裂纹尖端之前，在拉伸模式和剪切模式之间的过渡区域测量了最强烈的软化。

还发现涂层损坏了装有σ的样品的过程.max≥400 MPa开始于试样中间的表面缺陷周围。然而，后来在试样边缘开始形成显性裂纹。适用于装有σ的试样.max<400 MPa，疲劳仅与试样边缘优势裂纹的生长有关，在单调和循环荷载下，涂层表面在最终断裂之前均未观察到可见变化。