電連接器4J29 合金接觸體斷裂分析

魏振偉，周靜怡，劉昌奎

(1.北京航空材料研究院，北京 100095;2.航空材料檢測與評價(jià)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100095;3.中航工業(yè)失效分析中心，北京 100095)

0 引言

電連接器作為一種基礎(chǔ)電器元件，用于實(shí)現(xiàn)電信號的傳輸和控制以及電子與電氣設(shè)備之間的電連接，在航空、航天、電子、通信等行業(yè)中應(yīng)用廣泛［1-4］。電連接器是電器系統(tǒng)中重要的配套接口元件，從系統(tǒng)、分系統(tǒng)、機(jī)柜、印制板到每個(gè)可更換的獨(dú)立單元插座，其連接性能將直接關(guān)系到整個(gè)系統(tǒng)的安全可靠運(yùn)行。據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前各種系統(tǒng)的失效或故障現(xiàn)象的70%是由元器件的失效而產(chǎn)生的，在這其中又有40%是由電連接器的失效而產(chǎn)生的［2］。而實(shí)現(xiàn)電連接器連接功能的是集成在電連接器絕緣體內(nèi)部的多對接觸體，任何一對接觸體的接觸失效都會造成電連接器的失效;并且，根據(jù)現(xiàn)場的失效情況分析，接觸失效約占現(xiàn)場總失效數(shù)的45.1%［5-8］。

任萬濱等根據(jù)電連接器接觸體在不同微動(dòng)條件下的切向力和接觸面特征，確定了微動(dòng)磨損隨著微動(dòng)幅值的提高由粘著磨損到全滑動(dòng)磨損［5］。S.No?la 等研究了電連接器接觸體表面不同鍍層對電連接器接觸體耐微動(dòng)磨損性能的影響，通過調(diào)整表面鍍層可以有效提高電連接器耐微動(dòng)磨損的性能［9］。高進(jìn)對帶表面缺陷鍍層的電連接器接觸體的應(yīng)力腐蝕特征進(jìn)行研究，結(jié)果表明帶缺陷鍍層的電連接器接觸體在含有Cl-的環(huán)境中易發(fā)生應(yīng)力腐蝕，并研究了應(yīng)力腐蝕機(jī)理和應(yīng)力腐蝕斷裂特征［10］。對于電連接器接觸體斷裂失效，尤其是電連接器應(yīng)力腐蝕和疲勞復(fù)合失效未見報(bào)道。

本研究是針對服役于飛機(jī)的終點(diǎn)電門機(jī)構(gòu)的電連接器接觸體斷裂現(xiàn)象進(jìn)行分析，終點(diǎn)電門結(jié)構(gòu)在飛行過程中存在振動(dòng)，當(dāng)打炮時(shí)振動(dòng)加劇。某型飛機(jī)在進(jìn)行630 次起落后，發(fā)現(xiàn)起落架艙門不能正常打開。經(jīng)過分解后發(fā)現(xiàn)，終點(diǎn)電門機(jī)構(gòu)中電連接器接觸體發(fā)生斷裂。該型號電連接器有10 根接觸體，其中2 根未焊接導(dǎo)線。接觸體制作工藝為:機(jī)械加工→熱處理→燒結(jié)→鹽酸酸洗→電鍍。接觸體表面鍍Cu 后鍍Ni，一端與導(dǎo)線釬焊連接被熱縮管包裹，另一端由SiO2玻璃粉燒結(jié)固定(無鍍層)，燒結(jié)溫度為(910±50)℃。

對終點(diǎn)電門機(jī)構(gòu)以及各部件進(jìn)行宏觀形貌觀察，并對接觸體進(jìn)行斷口宏微觀觀察，以及斷口截面金相組織檢查，同時(shí)對斷口處異常部位進(jìn)行能譜分析，以確定斷裂性質(zhì)，分析電連接器接線柱斷裂的原因。

1 試驗(yàn)材料及方法

接線柱基體材料為4J29 合金(Kovar alloy)，鐵鎳鈷膨脹合金，其名義成分如表1 所示。表面經(jīng)過電鍍，先鍍Cu 后鍍Ni。

表1 4J29 合金名義成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%)Table 1 Nominal composition of 4J29 alloy (mass fraction/%)

使用Olympus SZ61 體視顯微鏡對接觸體的斷裂、變形進(jìn)行宏觀觀察，對接觸體的斷裂位置、接觸體表面進(jìn)行檢查。采用Camscan 3100 掃描電鏡觀察斷口微觀形貌、裂紋的源區(qū)和擴(kuò)展區(qū)特征。對接觸體表面及斷口不同區(qū)域進(jìn)行能譜分析，分析斷口表面是否存在腐蝕性元素。分別從斷口橫、縱2 個(gè)方向取樣，按標(biāo)準(zhǔn)的金相試樣制備程序磨拋后，用4%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))硝酸酒精溶液擦拭顯示組織，使用Olympus GX51 金相顯微鏡進(jìn)行顯微組織分析。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 斷裂接觸體宏觀形貌

失效的電連接器中7 根連接導(dǎo)線的接觸體斷裂，一根未連接導(dǎo)線的接觸體在失效件分解過程中發(fā)生斷裂;所有斷裂發(fā)生在玻璃粉固定的接觸體根部，即熱縮管與玻璃粉接觸位置(圖1)。根據(jù)電連接器上接觸體的標(biāo)號，連接導(dǎo)線斷裂的接觸體分別為4#～10#，未斷的為3#。將分解過程中發(fā)生斷裂的接觸體命名為W。

在體視顯微鏡下觀察接觸體斷口發(fā)現(xiàn)，4#～10#斷口宏觀特征相似，以7#試樣斷口形貌為代表進(jìn)行分析，可見7#試樣斷口平直，沒有剪切唇和明顯的塑性變形痕跡，斷口表面呈暗褐色，部分位置可見銀灰色(圖2a)。斷口附近側(cè)表面為銀灰色，基體上分布部分暗褐色斑點(diǎn)(圖2b)。W試樣也表現(xiàn)出平直斷口，沒有發(fā)現(xiàn)剪切唇和明顯的塑性變形，其斷口和斷口側(cè)面的顏色分布與4#～10#試樣一致(圖3)。直接人工打斷的3#接觸體斷口宏觀形貌如圖4 所示，斷口上有明顯的塑性變形痕跡，斷口側(cè)表面整體呈銀灰色，有金屬光澤。對比人工斷口和失效斷口的特征可知，失效接觸體斷裂性質(zhì)不是過載。

圖1 電連接器斷裂位置宏觀形貌Fig.1 Macro morphology of fracture location in electrical connectors

2.2 斷裂接觸體斷口微觀形貌

將斷口經(jīng)超聲清洗后觀察微觀形貌。9#、10#斷口表面全部被腐蝕物覆蓋。4#～8#斷口表面特征相似，同樣以7#試樣斷口形貌為代表進(jìn)行分析，斷口表面約1/2 面積被腐蝕產(chǎn)物覆蓋(圖5a);斷口邊緣可見腐蝕坑和沿晶開裂形貌(圖5b～圖5c);局部可見二次裂紋(圖5d);斷口可見明顯的河流花樣及扇形形貌，根據(jù)河流花樣的走向，源區(qū)位于表面;在遠(yuǎn)離表面位置，局部可見疲勞條帶(圖5e);觀察斷口側(cè)表面，在鍍鎳層脫落位置，鐵鎳鈷基體表面可見清晰晶界形貌(圖5f)。

圖2 7#接觸體宏觀形貌Fig.2 Macro morphology of 7# contactor

圖3 W 接觸體宏觀形貌Fig.3 Macro morphology of W contact

圖4 3#人工打斷接觸體宏觀形貌Fig.4 Macro morphology of 3# contactor

對7#斷口表面進(jìn)行能譜分析，結(jié)果表明各個(gè)位置均存不同程度的氧化，斷口邊緣和腐蝕坑發(fā)現(xiàn)腐蝕性元素Cl(表2)。

表2 7#斷口表面不同位置能譜分析結(jié)果(質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%)Table 2 EDS results of 7# fracture surface (mass fraction/%)

圖5 7#斷口及側(cè)表面微觀形貌Fig.5 Micro morphologies of 7# fracture surface and side surface

W 試樣斷口掃描電子顯微鏡下微觀形貌如圖6 所示。與圖5 相比，斷口表面腐蝕程度相對較輕，斷口存在2 個(gè)不同形貌區(qū)域，圖6a 中圈出的2 個(gè)區(qū)域?yàn)榈湫偷捻g窩形貌(圖6b、圖6c)，它們對應(yīng)于宏觀形貌圖4 中銀灰色位置。能譜分析發(fā)現(xiàn)該處成分為鐵鎳鈷基體成分，未發(fā)生氧化。斷口其余位置為河流花樣及扇形形貌，斷口能譜分析表明這些區(qū)域O 元素含量較高，邊緣位置還存在Cl、S 元素(表3)。表明該接線柱在送檢前已發(fā)生開裂，而韌窩區(qū)域是經(jīng)輕微碰撞后造成的瞬斷區(qū)。根據(jù)河流花樣匯聚方向判斷，斷裂起源于表面(圖6a)，有2 個(gè)起源位置(圖6d、圖6e)。斷口上局部還存在二次裂紋，在遠(yuǎn)離源區(qū)位置，還可以發(fā)現(xiàn)疲勞條帶(圖6f);在斷口側(cè)表面鍍鎳層脫落位置上還可看到鐵鎳鈷基體清晰的晶界形貌(圖6g);此時(shí)鍍層已經(jīng)開裂并出現(xiàn)“針孔”形貌(圖6h)。完全人工打斷的斷口表面上未見腐蝕特征，呈現(xiàn)出韌窩形貌，是典型的過載延性斷裂特征。通過比較人工打斷斷口和服役失效斷口的宏觀微觀形貌特征，基本可以排除接線柱服役過程中發(fā)生過載延性斷裂的可能。

2.3 顯微組織分析

4J29 合金是以Fe-Co-Ni 為基體的定膨脹合金。取斷口試樣的橫截面進(jìn)行金相觀察，組織為奧氏體，邊緣可見腐蝕坑(圖7a);在腐蝕坑底部可見沿晶裂紋和穿晶分叉裂紋(圖7b)。取帶斷口的接觸體縱截面進(jìn)行金相觀察，在斷口附近可見二次裂紋延伸入基體(圖8a);同時(shí)，在斷口下方可見從基體邊緣向基體內(nèi)擴(kuò)展的穿晶裂紋，裂紋分叉(圖8b);分別在拋光態(tài)和腐蝕態(tài)下觀察鍍層下的基體表層，可見一些沿晶小裂紋(圖8c、圖8d)。金相觀察的結(jié)果表明，4J29 合金組織無異常。橫截面上基體表層的腐蝕坑，坑底的穿晶擴(kuò)展裂紋，以及縱截面表層的沿晶裂紋、斷口下方的穿晶分叉裂紋，均是發(fā)生應(yīng)力腐蝕的典型特征。

表3 W 斷口不同區(qū)域能譜結(jié)果(質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%)Table 3 EDS results of W fracture surface (mass fraction/%)

圖6 W 斷口及側(cè)表面微觀形貌Fig.6 Micro morphologies of W fracture surface and side surface

圖7 斷口橫截面金相Fig.7 Microstructure of fracture transverse section

2.4 斷裂原因分析

送檢的電連接器接觸體發(fā)生脆性斷裂，斷口邊緣為典型的解理特征，并覆蓋有腐蝕產(chǎn)物，腐蝕產(chǎn)物里含有Cl 及大量的O。斷口平直，起源于表面，且為多源，斷口上局部可見二次裂紋，在斷口邊緣可見腐蝕坑。以上特征均與應(yīng)力腐蝕典型特征相符［11］。這說明該電連接器接觸體是由于應(yīng)力腐蝕而導(dǎo)致開裂的。在斷口遠(yuǎn)離源區(qū)無腐蝕產(chǎn)物區(qū)域，局部可見疲勞條帶，表明接觸體的最終斷裂為疲勞斷裂。由此可知，接觸體是在靜載荷的應(yīng)力腐蝕作用下發(fā)生開裂，而在隨后工作過程中的振動(dòng)應(yīng)力作用下發(fā)生疲勞斷裂。

圖8 斷口縱截面金相Fig.8 Microstructure of fracture longitudinal section

材料產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕的條件為拉應(yīng)力、特定介質(zhì)和應(yīng)力腐蝕敏感性［11］。接觸體端部焊接的導(dǎo)線對接觸體有拉伸作用，同時(shí)接觸體在玻璃粉燒結(jié)過程中產(chǎn)生殘余拉應(yīng)力。失效的電連接器中，連接導(dǎo)線的8 根接觸體中有1 根未斷，同時(shí)，未連接導(dǎo)線的2 根中有1 根發(fā)生斷裂，結(jié)果表明，導(dǎo)致應(yīng)力腐蝕開裂的靜拉應(yīng)力來源于材料殘余拉應(yīng)力。觀察斷口側(cè)表面，在鍍鎳層脫落位置，鐵鎳鈷基體表面可見清晰晶界形貌(圖5f、圖6g)。接觸體在氧化熱處理過程中，晶界容易被氧化，嚴(yán)重的氧化導(dǎo)致晶界腐蝕，表面不平整。鍍鎳層表面也觀察到開裂及“針孔”等形貌。有資料表明，4J29合金鍍鎳前進(jìn)行玻璃粉的燒結(jié)，然后酸洗去除氧化層，酸洗過程中如果產(chǎn)生過腐蝕，則沿晶界會形成很深的腐蝕溝，即使再經(jīng)過表面化學(xué)拋光處理也不能去除。這種較深的腐蝕溝一方面吸附殘酸，留下Cl-，另一方面會影響鍍層質(zhì)量(虛鍍)，該處在外力作用下最易出現(xiàn)微裂紋［12］。對失效件進(jìn)行能譜分析結(jié)果顯示，接觸體表層和腐蝕坑中含有大量的Cl 元素，其來源于接觸體酸洗過程的殘留。有研究表明，僅含0.001 1%鹵化物的松香焊劑即可誘發(fā)和擴(kuò)展導(dǎo)致接觸體斷裂的應(yīng)力腐蝕裂紋［13］，4J29 合金在含Cl-的介質(zhì)中對應(yīng)力腐蝕很敏感。接觸體表面“針孔”和裂紋的存在，構(gòu)成了4J29 合金與鍍層的電偶腐蝕對，在介質(zhì)的作用下很快就使4J29 合金產(chǎn)生了局部腐蝕坑，隨后在應(yīng)力或腐蝕產(chǎn)物楔入應(yīng)力作用下在腐蝕坑底部誘發(fā)產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕裂紋，從而大大地縮短了4J29合金接觸體的應(yīng)力腐蝕起裂階段。裂紋形成后，由于縫隙窄，加上Cl-的排氧作用，尖端應(yīng)力集中程度更加嚴(yán)重，材料在應(yīng)力作用下開裂，裂紋穿晶擴(kuò)展。開裂后的接觸體疲勞性能下降，且應(yīng)力集中程度高，在工作振動(dòng)應(yīng)力(飛機(jī)起飛、降落和打炮時(shí))作用下最終發(fā)生疲勞斷裂。

因此，盡管接觸體斷口呈現(xiàn)疲勞特征，但裂紋的起源與4J29 基體晶界開裂及腐蝕性Cl-有關(guān)。在電連接器生產(chǎn)過程中應(yīng)嚴(yán)格控制接觸體表面氧化程度、酸洗程度及Cl-的殘留，保證鍍層致密、無孔洞和裂紋。

3 結(jié)論

1)電連接器接觸體在應(yīng)力腐蝕的作用下發(fā)生開裂，經(jīng)受工作振動(dòng)應(yīng)力作用，最終發(fā)生疲勞斷裂。

2)接觸體失效裂紋萌生階段的主要特征為腐蝕坑和沿晶，裂紋擴(kuò)展階段的主要特征為裂紋穿晶分叉和疲勞條帶。

3)電連接器接觸體失效的根本原因在于酸洗后腐蝕性Cl-殘留和表面鍍層開裂。

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