人浏览过该文章
显示器荫罩用因瓦合金的高温变形行为与力学特性
荫罩作为显像管的一个关键器件 , 其材料选择是否合适将直接影响清晰度的提高。长期以来 , 铝镇静钢一直用作制造荫罩的材料 , 但由于热膨胀系数大 ,在电子轰击时易产生热拱现象 , 导致电子束偏转 , 降低分辨率。 近年人们将注意力集中在因瓦合金上 , 主要因为它的膨胀系数小 , 从室温到 100℃约为 1. 1×10-6/℃[1~ 3 ], 仅是铝镇静钢的 1/10。对于因瓦合金荫罩的成形加工进行了应用基础方面的研究。
荫罩通常在 200℃下冲压成形。 在此温度下坯料受冲压力作用容易产生变形 , 当变形量恰到合适的程度 , 才有可能在解除冲压力后恢复至室温设计要求的形状和尺寸 , 最终成为合格的产品。 可见冲压力是控制荫罩质量的一个重要工艺参数。 如何确定这一参数 , 却依赖对因瓦合金的高温变形行为和力学性能 , 尤其是对因瓦合金屈服强度的研究。室温通常采用引伸计测定屈服强度。本研究由于因瓦合金试样和加热炉结构的限制 , 使用电阻应变计测量。 用
应变计进行材料弹塑性变形区的应力分析已有报道[4, 5 ], 我们也探讨过用其测量屈服强度的可行性[6 ]。本研究通过拉伸试验在加热炉条件下用应变计考察因瓦合金的高温变形行为 , 并研究力学性能随加热温度的变化 , 为荫罩的实际加工提供试验依据。
1 试验方法
试验采用因瓦合金。从 0. 13mm厚因瓦合金冷轧薄板沿轧制方向冲压拉伸试样 , 在氢、 氮气氛保护下分别经780, 800, 810和 850℃退火 2. 5h。选用 BB120-4AA250型应变计 , 其温度和应变极限分别为 250℃和 15000με。 用酚醛 -环氧粘合剂将应变计粘贴在试样上 , 并置于烘箱内加热固化。 在试验期间 , 将每一个试样安装在自制的加热炉内升至一定温度拉伸。 加热炉的有效加热区为 90mm, 中心与两端的温差为 2℃。载荷 -应变曲线由通过应变仪与应变计相连的记录仪绘出 , 用以确定屈服强度和弹性模量等参量; 同时试验机记录仪绘出载荷 -位移曲线 , 从中可测定强度极限和延伸率。试验在 Instron1195型试验机上以静载、 单向拉伸条件进行。 拉伸速率为 1mm /min, 测量精度为
0. 5%。
2 试验结果及讨论
2. 1 变形特征与延伸率
因瓦合金冷轧薄板由于延性耗竭而不能直接用于荫罩的模压成形 , 因此退火处理成为降低强度恢复塑性所必需的一道工序。此外从控制硬度、 晶粒度及组织结构等要求上为荫罩加工作准备。因瓦合金退火试样经拉伸测得的应力 -应变曲线如图 1。从图中看出在室温和高温条件图 1 800℃退火试样的应力-应变曲线下 , 曲线上均无明显的物理屈服现象出现 , 变形经历弹性变形和均匀塑性变形两个阶段 , 且有明确的区分标志。 图 2示出延伸率随退火和加热温度的变化规律。显然其值当温度升高时增大 , 这与通过退火或加热产生的软化行为有关。 通常随着温度升高 , 因瓦合金材料的变形能力增强; 除此之外 , 对于因瓦合金当加热温度升高到 150℃以上 ,膨胀系数显著增大[1, 7, 8 ],这些均有助于提高延伸率。从荫罩在 200℃时的成形要求看 ,低温退火对于获得强度、 延性及晶粒度等良好的配合比高
温退火有利。 根据试验测定的延伸率和弹性模量值 ,大体上可估算荫罩受冲压力时的总变形量 , 再通过实际生产考察冲压力这一工艺参数的合理性。
2. 2 因瓦合金高温力学性能及其变化规律
因瓦合金冷轧薄板虽不能直接用于荫罩成形 , 但经退火后也不是一种理想的状态。因为即使在变形期间不产生
裂纹 , 高的塑性变形抗力要求模压机具有大的承载能力 , 容易在荫罩体内引入残余应力 , 因此需要特别重视因瓦合金的高温屈服行为。图 3给出在不同退火状态下用应变计测定的变形抗力和加热温度的关系 , 其规律可归纳如下。
对于同一退火处理状态 , 当因瓦合金加热温度从室温升高到 180℃时 ,因瓦合金试样的变形抗力明显下降 ,其中屈服强度下降约 55% , 抗拉强度下降约 30% ; 超过 180℃ , 变形抗力缓慢减小 ,最后趋于稳定。在 180~ 220℃内 ,屈
服强度和抗拉强度分别在 120~ 130M Pa 和 300~320M Pa内波动。 从以上结果可确定模压机对荫罩施加冲压力的大小。 应当指出当模具受热时 , 温度并不是均匀地分布在荫罩的整个表面上 , 但在不同部位上的温度应处在 180~ 220℃范围内 ,故可采用统一的冲压力 , 并期望获得均匀的变形。固定加热温度 ,当退火温度在 790~ 850℃内变化时 ,屈服强度基本上不发生变化 ,抗拉强度亦是如此。一般提高退火温度 , 因瓦合金材料的变形抗力下降。本试验未获得类似的规律 , 是因为退火温度改变不大 , 只有60℃增加量 , 不足以对力学性能产生明显影响。即便是有减小的趋势 , 也可能被试验中出现的随机误差所埋没。这一结果表明当因瓦合金在 790~ 850℃内的任何温度下退火 , 均可满足荫罩的实际加工对强度和变形的要求。但从成形前对硬度、 晶粒度和组织结构等要求出发 ,因瓦合金采用 790℃的退火将更趋合理。图 4是对不同退火试样的弹性模量随加热温度的变化。可以看出改变退火或加热温度对弹性模量影响不大 , 其值为 ( 1. 41~ 1. 49) × 105M Pa, 与文献报道的 ( 1. 34~ 1. 47) × 105M Pa基本一致[1, 3, 8 ]。弹性模量作为表征金属健结合力大小的一个力学参量 , 只与其原子本身的属性如半径、 间距及结合力等有关 , 对材料成分和组织结构的变化不十分敏感 , 因而是一个相对稳定的量。通常认为弹性模量总是随温度升高而减小 , 但就工程应用而言 , 这种改变相对较小 , 如铁每升高 100℃ , 弹性模量降低约 4%[9 ]。从这一点看 ,在实际计算荫罩的弹性变形时 , 可不计温度对弹性模量的影响而将其取为常数。
3 结论
( 1) 荫罩用因瓦合金在本试验条件下 , 经退火后其变形抗力随加热温度在 20~ 180℃内变化时显著下降 , 在 180~ 220℃内基本不变化 , 因瓦合金屈服强度和抗拉强度分别稳定在 120~ 130M Pa和 300~ 320M Pa范围内。 根据屈服强度可初步确定冲压力这一工艺参数。
( 2) 因瓦合金在同一加热温度下 , 不同退火处理对应的变形抗力大致相同。 这为荫罩成形前的退火工艺从 790到 850℃提供了较宽的选择范围。
( 3因瓦合金)弹性模量基本上不受试样状态和加热温度的影响 , 其值保持在 ( 1. 41~ 1. 49) × 105M Pa。
( 4) 因瓦合金延伸率值随退火或加热温度的升高而增大。
但如果因瓦合金采用较低温度的退火处理将有助于获得强度、 延性和晶粒度等的良好结合 , 以满足荫罩在 200℃下成形时的要求。