電線斷裂失效的原因及特點

張 超，李 瑋，祝偉明

(上海航天技術研究院第808研究所，上海201109)

0 引言

電線在型號工程中起傳遞電磁信號，輸送能量的重要作用;同時電線作為電子元器件的一種，其結構不同于傳統(tǒng)意義上的金屬構件，也不同于電阻、電容等其他元件，其主要失效模式是斷裂。通過對其斷裂失效原因及特點進行分析以獲得電線在設計、生產(chǎn)和使用方面的改進性建議，避免類似失效的發(fā)生，提高電線的可靠性［1］。為了統(tǒng)計分析其典型的斷裂模式和造成斷裂的原因及特點。對連續(xù)發(fā)生的10起電線斷裂的案例進行統(tǒng)計，見表1。

由表1可見，造成電線斷裂的原因主要有外界損傷、疲勞和過載3種。如果按照斷裂前電線所產(chǎn)生的宏觀塑性變形量大小來分，則前2種統(tǒng)稱為脆性斷裂，過載斷裂則為塑性斷裂。在這3類斷裂原因中:外界損傷占多數(shù)，占總數(shù)的60%;其次是疲勞斷裂，占30%;過載斷裂只占10%。本研究針對電線在使用過程中斷裂的原因一一展開并進行深入分析，著重闡明其斷裂特征和分析過程不同于一般斷口之處。

表1 10起斷裂失效案例統(tǒng)計表Table 1 Details of 10 fracture failure cases

1 斷裂起因及特點分析

1.1 過載斷裂

電線一般為裸銅芯線或覆銀銅線，有著較好的延性。當電線受到外界應力作用，芯線會發(fā)生塑性變形，在電線薄弱的橫截面處發(fā)生急劇的局部收縮，產(chǎn)生塑性頸縮現(xiàn)象［2-3］;因此，過載斷裂的電線其內(nèi)部芯線斷口往往存在明顯塑性頸縮(圖1、圖2)，有些電線的芯線斷口頸縮和韌窩同時存在(圖2)。

圖1 電線芯線斷口的頸縮Fig.1 Necking at the fracture surfaces of core conductors

圖2 電線芯線斷口的頸縮和韌窩Fig.2 Necking and dimples at the fracture surfaces of core conductors

作為傳輸電磁信號作用的電線，正常情況下不會承載過大的載荷，發(fā)生過載斷裂的情況也是較少見的。本研究統(tǒng)計的惟一1例過載斷裂如圖3a所示，它是經(jīng)多次裝配、周轉在振動試驗后的檢查時發(fā)現(xiàn)的。從圖3a可知，焊接處的電線失去了電線絕緣層的保護且又是應力集中的區(qū)域。當電線受到一個與接線柱軸向成θ角的力F作用時，根據(jù)實際情況θ≠0，則焊點處的各芯線發(fā)生不同程度的塑性變形(圖3b)，假設最外的那根芯線的伸長量為 ΔL1，其第 i根芯線的伸長量為ΔLi，假設所有的芯線長度均為L，根據(jù)幾何知識，則有 ΔL1＞ΔLi(i≠1)，當 θ≠0時，最外層芯線受力最大，當外層芯線變形超過材料的屈服極限時則發(fā)生斷裂。依次類推，則芯線逐根斷裂。

圖3 電線焊接及芯線受力示意圖Fig.3 Schemes of wire connection and stress

1.2 疲勞斷裂

在交變載荷下，材料承受的最大交變應力σmax愈大，則至斷裂的應力交變次數(shù)N愈低;反之，σmax愈小，則N愈高。當應力低于某值時，材料或構件承受無限多次應力或應變循環(huán)而不發(fā)生斷裂，這一應力值稱為材料或構件的疲勞極限，通常以σf表示［4］。從開始承受應力直至斷裂所經(jīng)歷的循環(huán)次數(shù)稱為疲勞壽命，以Nf表示，一般Nf＞104時為高周疲勞，Nf≤104時為低周疲勞。循環(huán)交變應力中的最高應力一般遠低于靜載荷下的材料強度，有時也低于屈服極限。對尺寸比較大的構件而言，疲勞斷裂的斷口分為疲勞源區(qū)、疲勞斷裂擴展區(qū)和最終斷裂區(qū)［5］。這些區(qū)域各有不同的宏觀特征，這些特征是判斷疲勞斷裂的主要依據(jù)。

對于由多根芯線構成的電線而言，多根芯線的小斷面組成的大斷面很難區(qū)分其疲勞源區(qū)、疲勞斷裂擴展區(qū)和最終斷裂區(qū)。每一根芯線都可以看成一個完整的斷面，但由于其芯線直徑過小(最小直徑僅為 0.05 mm)［6］和芯線斷口之間的互相摩擦，所以對電線疲勞斷裂特征的判別存在一定難度。經(jīng)仔細觀察，總結出電線疲勞斷裂的特征(圖4～圖6):

1)電線中各芯線的斷面比較平坦，大致在一個平面內(nèi)(圖4);

2)芯線在斷口處未有明顯塑性變形、頸縮;

3)各芯線斷面存在疲勞弧線(圖5)。

圖4 各芯線的斷口Fig.4 Fracture surfaces of core conductors

圖5 芯線斷口的疲勞弧線Fig.5 Beach mark of fracture surface of core conductor

根據(jù)統(tǒng)計疲勞斷裂具體案例顯示，疲勞斷裂一般發(fā)生在電線的固定點位置，比如電線的焊點附近和電線中間的固定卡箍附近。

通過總結以往的斷裂案例發(fā)現(xiàn)，裝配過程中電線未得到充分的保護及周轉不當，易在焊點附近發(fā)生低周疲勞斷裂，疲勞弧線較為疏，疲勞弧線間距相對較大(圖5)。電線固定不到位，在使用過程中的隨機振動等交變應力的作用下，疲勞斷裂容易發(fā)生在焊點附近或者中間固定卡箍附近，該種情況大多為高周疲勞，芯線面上既有疲勞弧線又有密集的疲勞條帶(圖6)。

圖6 芯線斷口上的疲勞弧線和疲勞條帶Fig.6 Beach mark and fatigue striations of fracture surface of core conductor

1.3 外界損傷造成的斷裂

在大型構件中，損傷指構件存在缺口、大的裂紋，這些缺口或裂紋的存在導致構件產(chǎn)生低應力脆性斷裂［7-8］。本研究的損傷，是指電線的絕緣層受到損傷、破裂，即芯線受到損傷而留下裂紋、缺口及發(fā)生較嚴重的塑性形變。

圖7 電線剪切應力下的損傷Fig.7 Damage trace of insulating layer by shearing stress

圖8 芯線剪切應力下的損傷Fig.8 Damage trace of core conductors by shearing stress

圖9 無剪切應力下芯線的過載斷裂Fig.9 Overload fracture of core conductors without shearing stress damage

圖7～圖9為1例電線受到外界剪切應力的作用下，造成電線絕緣層破損和內(nèi)部部分芯線斷裂，在后續(xù)使用過程中，應力在損傷處集中［9］。這樣，電線在所能承受的外界應力不變的情況下，其內(nèi)部導芯線所承受的應力將顯著增加，會產(chǎn)生其部分芯線過載斷裂，出現(xiàn)外界損傷造成的斷裂中存在部分芯線斷口存在塑性頸縮甚至韌窩的現(xiàn)象。因此，在斷口分析中要分清楚斷裂先后和原因的主次，否則很容易錯判。

2 電線斷裂的特點分析

電線由多股芯線組成，其芯線位置不同則受力不同，斷裂模式也就不同，在同一電線斷口中其內(nèi)部芯線斷口形貌可能是過載斷裂、脆性斷裂、疲勞斷裂中的一種或多種，如圖8的脆性斷裂和圖9的塑性斷裂(存在塑性頸縮)出現(xiàn)在同一電線的芯線斷口中。

電線在實際使用中發(fā)現(xiàn)斷裂之前，其內(nèi)部芯線已部分斷裂，則先斷的芯線斷口之間互相摩擦，破壞了部分芯線的斷口原有形貌特征，有的甚至完全破壞。

通過上述2個電線斷口形貌的特點可知，電線內(nèi)芯線的斷口非常復雜，需要對斷裂前的應用過程的各個環(huán)節(jié)及環(huán)境作詳細的分析，比如焊點處是否得到充分保護，隨機振動中是否存在量級放大，電線或電纜的固定是否符合規(guī)范等，再結合對斷裂電線的斷口形貌分析判斷出電線斷裂的主要原因，在這一過程中尤其要重視失效現(xiàn)場及過程調(diào)查［10-11］。

電線斷裂失效現(xiàn)場及過程調(diào)查至少要做到以下幾點:

1)斷裂發(fā)生的時間、地點、裝備或部件名稱;

2)斷裂發(fā)生的簡要經(jīng)過、以及造成裝備或部件損害的程度;

3)電線在斷裂前所經(jīng)過的各種試驗項目及條件，確認裝配過程是否符合相關操作規(guī)范。

3 結束語

隨著科學技術的進步，電子及電氣設備向模塊化、集成化方向發(fā)展，電線作為傳輸電磁信號和能量的重要元件，將各電子電氣設備模塊連接在一起，電線及由其組成的電纜網(wǎng)在衛(wèi)星、運載火箭、載人飛船中就像人體中的血管網(wǎng)絡和神經(jīng)網(wǎng)絡一樣重要，于是在型號工程中的總體設計中有重要的一個內(nèi)容即電纜網(wǎng)絡設計。由于軍用及宇航用電線電纜網(wǎng)絡的故障修復成本極高，有的甚至不能修復，電線及電纜的可靠性研究引起了各國的重視，但針對電線斷裂失效特點及機理方面的研究還稍顯不足，這正是需要加以關注和研究的方向，總之，可歸納為以下幾個方面:

1)對電線導體制樣，分析其金相結構，研究電線電纜中導體金相結構和大型構件金相結構之間的區(qū)別;

2)對使用中的電線電纜中受力分布狀態(tài)進行研究，研究其負載時內(nèi)部應力分布;

3)對電線中導體上存在的微裂紋進行分析，研究裂紋對電線導體機械強度的影響。

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