電連接器壓線卡斷裂分析

楊耀東，凌阿斌，萬(wàn) 蕾，李秀杰，朱小溪

(北京衛(wèi)星制造廠，北京 100094)

電連接器壓線卡斷裂分析

楊耀東，凌阿斌，萬(wàn) 蕾，李秀杰，朱小溪

(北京衛(wèi)星制造廠，北京 100094)

電連接器產(chǎn)品組裝交付用戶并貯存半年后，發(fā)現(xiàn)H62黃銅壓線卡發(fā)生斷裂。通過(guò)對(duì)壓線卡宏觀觀察、微觀觀察、能譜分析、硬度檢查、金相檢查，以及同批次壓線卡的人工斷口、硬度以及金相組織的對(duì)比分析，確定此次電連接器壓線卡的斷裂模式為應(yīng)力腐蝕。斷裂原因主要有兩方面：一是壓線卡內(nèi)熱縮膜體積較大導(dǎo)致壓線卡承受較大拉應(yīng)力；二是壓線卡鍍層表面發(fā)生破壞失去了保護(hù)基體材料的作用，在這兩個(gè)方面因素的綜合作用下最終導(dǎo)致壓線卡發(fā)生應(yīng)力腐蝕斷裂。建議進(jìn)一步對(duì)壓線卡內(nèi)熱縮膜的體積進(jìn)行量化控制，同時(shí)對(duì)電連接器壓線卡表面鍍層的生產(chǎn)、貯存、使用等過(guò)程進(jìn)行控制，避免對(duì)鍍層的損傷破壞。

電連接器；壓線卡；H62黃銅；應(yīng)力腐蝕

0 引言

電連接器作為一種機(jī)電元件，是航天系統(tǒng)工程中的重要配套件，從系統(tǒng)、分系統(tǒng)、機(jī)柜、組合、印制板到各個(gè)可更換的獨(dú)立單元，成千上萬(wàn)的電連接器控制著系統(tǒng)電能的傳輸與信號(hào)的傳遞。任何一個(gè)電連接器的失效都可能導(dǎo)致整個(gè)航天系統(tǒng)工程的失敗[1]。經(jīng)過(guò)實(shí)踐總結(jié)，引起航天電連接器失效的常見(jiàn)現(xiàn)象有：多余物、接觸不良、絕緣不良、彈性零件斷裂、漏氣、誤插拔、裝配失誤等[2]。

高亮等從衛(wèi)星對(duì)某型電連接器的功能要求和電連接器在軌運(yùn)行時(shí)所面臨的空問(wèn)環(huán)境出發(fā)，分析了電連接器的空間環(huán)境效應(yīng)和相應(yīng)的失效模式[3]。馬杰等分析了環(huán)境因素對(duì)電子產(chǎn)品可靠性的影響和電連接器的失效模式，并對(duì)環(huán)境溫濕度引起電連接器失效的原因進(jìn)行了分析[4]。魏振偉等針對(duì)服役于飛機(jī)的終點(diǎn)電門(mén)機(jī)構(gòu)的電連接器接觸體斷裂現(xiàn)象進(jìn)行了分析，結(jié)果表明，電連接器接觸體在含Cl-介質(zhì)中發(fā)生應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂，最終在工作振動(dòng)應(yīng)力下發(fā)生疲勞斷裂，酸洗后Cl-的殘留與接觸體表面鍍層開(kāi)裂導(dǎo)致接觸體斷裂[5]。

本次電連接器失效的現(xiàn)象即為彈性零件——壓線卡斷裂。該電連接器產(chǎn)品在組裝時(shí)先將熱縮膜(高壓聚烯材料)加熱后放置在壓線卡下方，擰緊壓線卡兩端螺釘至露出2～3扣。組裝完成后交付用戶，在用戶處貯存半年后發(fā)現(xiàn)上面的壓線卡發(fā)生斷裂。該壓線卡材料為H62Y黃銅，外表面先鍍銅再鍍鎳。本研究通過(guò)對(duì)壓線卡宏觀觀察、微觀觀察、能譜分析、硬度檢查以及金相檢查，以及同批次壓線卡的人工斷口、硬度以及金相組織的對(duì)比分析，確定壓線卡的斷裂原因，提出有效的控制措施，為工藝優(yōu)化、過(guò)程改進(jìn)提供技術(shù)依據(jù)，可有效避免同類(lèi)事故地再次發(fā)生。

1 試驗(yàn)過(guò)程與結(jié)果

1.1 失效件宏微觀觀察

電連接器以及壓線卡安裝如圖1所示，壓線卡壓接熱縮膜，壓線卡斷裂后向外凸起，連接螺釘未見(jiàn)有異常；壓線卡在中間發(fā)生斷裂，其中局部可見(jiàn)有損傷特征。

圖1 電連接器宏觀形貌Fig.1 Macro morphology of the electric connector

使用體視顯微鏡對(duì)壓線卡表面及斷口進(jìn)行宏觀觀察。斷口表面平整，呈黃色，可見(jiàn)反光小刻面，外表面局部存在壓入性損傷(圖2a)。對(duì)外表面進(jìn)行觀察后發(fā)現(xiàn)，損傷處下陷、破碎(圖2b)。

圖2 壓線卡宏觀形貌Fig.2 Macro morphology of the pressure line card

在掃描電鏡內(nèi)對(duì)失效件斷口進(jìn)行微觀觀察，在壓線卡的外表面存在3個(gè)源區(qū)，斷裂特征一致，斷裂從表面起源，源區(qū)呈現(xiàn)沿晶特征，可見(jiàn)有二次裂紋，在源區(qū)表面及側(cè)表面均可見(jiàn)明顯的腐蝕坑(圖3)，分別對(duì)源區(qū)的斷口表面及側(cè)表面腐蝕坑進(jìn)行能譜分析，結(jié)果可見(jiàn)源區(qū)表面氧化嚴(yán)重，源區(qū)的斷口表面及側(cè)表面均存在大量的腐蝕性元素Cl、S。擴(kuò)展區(qū)斷裂特征為撕裂棱線(圖4)。對(duì)斷裂壓線卡表面進(jìn)行觀察發(fā)現(xiàn)，表面分布有大量的腐蝕坑，局部表面存在裂紋(圖5)。對(duì)表面腐蝕坑進(jìn)行能譜分析，結(jié)果表明腐蝕坑處存在大量的腐蝕性元素Cl、S，完好位置表面未見(jiàn)異常元素。

圖3 源區(qū)微觀形貌Fig.3 Micro morphology of source region

圖4 擴(kuò)展區(qū)撕裂棱線微觀形貌Fig.4 Micro morphology of the propagation area

圖5 斷裂壓線卡表面腐蝕坑形貌Fig.5 Surface appearance of the failed pressure line card

1.2 同批次完好件宏微觀觀察

取同批次完好壓線卡打斷形成人為斷口，其斷口宏觀形貌如圖6所示，其斷口呈金黃色，宏觀可見(jiàn)明顯的塑性變形。其微觀斷口形貌為韌窩特征(圖7)，同批次完好件表面未見(jiàn)有腐蝕坑特征(圖8)，對(duì)其表面進(jìn)行能譜成分分析未見(jiàn)異常。

圖6 人工斷口宏觀形貌Fig.6 Macro morphology of the man-made fracture

圖7 人工斷口微觀形貌Fig.7 Micro morphology of the man-made fracture

圖8 完好壓線卡表面形貌Fig.8 Surface appearance of a good pressure line card

1.3 材質(zhì)檢查

1)硬度檢測(cè)。

分別對(duì)失效件及完好件的橫截面、縱截面進(jìn)行顯微硬度檢測(cè)，試驗(yàn)力為1.96 N，保持時(shí)間為15 s，檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表1。結(jié)果表明，失效件與完好件的橫截面、縱截面顯微硬度均未見(jiàn)有明顯差異。

2)金相組織。

分別取斷裂及完好壓線卡進(jìn)行截面金相組織檢查。試樣經(jīng)磨拋后，采用氯化鐵鹽酸水溶液進(jìn)行浸蝕。結(jié)果表明，壓線卡組織為α相[6]，鍍銅層及鍍鎳層保持完整。斷裂壓線卡及完好壓線卡組織未發(fā)現(xiàn)存在差異(圖9)。

表1 硬度檢測(cè)結(jié)果

圖9 金相組織Fig.9 Metallurgical structure

2 分析與討論

通過(guò)對(duì)壓線卡的安裝狀態(tài)觀察可知，壓線卡在壓接熱縮膜后承受拉應(yīng)力。斷口分析表明，斷裂起源于壓線卡外表面的腐蝕坑，源區(qū)存在大量腐蝕性元素Cl和S，源區(qū)斷口主要為沿晶特征，可見(jiàn)有二次裂紋，擴(kuò)展區(qū)為撕裂棱線，且在壓線卡外表面存在明顯的3個(gè)源區(qū)。從以上特征可知，該電連接器壓線卡斷裂性質(zhì)為應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂[7-8]。

零件發(fā)生應(yīng)力腐蝕需同時(shí)具備3個(gè)條件[9-14]：

1)拉應(yīng)力。從壓線卡的安裝狀態(tài)及斷裂后狀態(tài)看，由于壓線卡內(nèi)熱縮膜體積較大，已將壓線卡向外頂起，使壓線卡外表面受到了較大的靜拉應(yīng)力。

2)材料具有一定的應(yīng)力腐蝕敏感性。材料的應(yīng)力腐蝕敏感性與其成分、組織狀態(tài)、強(qiáng)度等密切相關(guān)。黃銅應(yīng)力腐蝕的敏感性隨Zn含量的增加而增大，特別是當(dāng)黃銅中Zn質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于20%以后，即高鋅的A相或B相敏感性更大。該壓線卡材料是為H62黃銅，Zn含量較高，這對(duì)提高強(qiáng)度有利，卻易在特定介質(zhì)下產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕，增大開(kāi)裂傾向。

3)存在特定的腐蝕介質(zhì)。黃銅雖然對(duì)NH4+比較敏感，但是Cl、S的腐蝕介質(zhì)也會(huì)導(dǎo)致黃銅應(yīng)力腐蝕[9]。開(kāi)裂壓線卡源區(qū)的斷口表面及側(cè)表面均存在大量的腐蝕性元素Cl、S，表面腐蝕坑處亦存在大量的Cl、S，符合腐蝕介質(zhì)的要求。

綜上所述，此次電連接器壓線卡的開(kāi)裂完全滿足應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂的3個(gè)條件。通過(guò)對(duì)比失效件及完好件的組織及硬度，兩者未見(jiàn)有明顯差異，因此，該壓線卡的斷裂與材料無(wú)關(guān)。從壓線卡的安裝狀態(tài)及斷裂后狀態(tài)看，壓線卡內(nèi)熱縮膜體積較大使壓線卡受到的靜拉應(yīng)力較大。斷裂源區(qū)表面及側(cè)表面均可見(jiàn)明顯的腐蝕坑，局部可見(jiàn)明顯的壓入性損傷，同時(shí)整個(gè)失效件表面存在大量的腐蝕坑，局部表面存在裂紋，這表明壓線卡表面的鍍層已發(fā)生破壞，失去了保護(hù)基體材料的作用，鍍層破壞后，鍍層與基體形成電位差，加速了腐蝕的進(jìn)行。因此壓線卡外表面的鍍層發(fā)生破壞亦是致其發(fā)生應(yīng)力腐蝕的原因之一。

3 結(jié)論

1)電連接器壓線卡斷裂性質(zhì)為應(yīng)力腐蝕。

2)斷裂原因主要有兩方面：一是壓線卡內(nèi)熱縮膜體積較大導(dǎo)致壓線卡承受較大拉應(yīng)力；二是壓線卡鍍層表面發(fā)生破壞失去了保護(hù)基體材料的作用。

3)建議進(jìn)一步對(duì)壓線卡內(nèi)熱縮膜的體積進(jìn)行量化控制，同時(shí)對(duì)電連接器壓線卡表面鍍層的生產(chǎn)、貯存、使用等過(guò)程進(jìn)行控制，避免對(duì)鍍層的損傷破壞。

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Failure Analysis of Pressure Line Card in Electric Connector

YANG Yao-dong，LING A-bing，WAN Lei，LI Xiu-jie，ZHU Xiao-xi

(BeijingSpacecrafts,Beijing100094,China)

A pressure line card of H62 brass in the electric connector was found to have fractured after storage for six months. In the present work, the failure mode and cause of the pressure line card were analyzed by micro and macro observation, EDS analysis, hardness test and metallurgical structure examination. And the artificial fracture surface, hardness, metallurgical structure of a good pressure line card of the same batch were analyzed for comparison with the failed one. The results show the failure mode is stress corrosion. There were two causes for the failure that one was high tensile stress led by the high volume of heat crinkle membrane in the pressure line card; another was that the damage of the surface plating resulted in the loss of its protection function. The volume of the heat crinkle membrane should be controlled, and the surface plating should be protected during production, storage and service.

electric connector; pressure line card; H62 brass; stress corrosion

2016年8月25日

2016年10月20日

楊耀東(1976年-)，男，碩士，高級(jí)工程師，主要從事材料檢測(cè)等方面的研究。

TM503.5

A

10.3969/j.issn.1673-6214.2016.06.007

1673-6214(2016)06-0364-05