車載連接器金屬殼體斷裂原因分析

劉順華，吳冰冰，王麗娟，王君兆2,

（1.中車青島四方車輛研究所有限公司，山東 青島 266031；2.深圳市美信咨詢有限公司，廣東 深圳 518108；3.深圳市美信檢測(cè)技術(shù)股份有限公司，廣東 深圳 518108）

全球每年因金屬銹蝕而損失的金額大約占全球生產(chǎn)總值的2% ~ 4%。金屬腐蝕是安全事故發(fā)生的一個(gè)重要原因，在各種金屬腐蝕形式中，應(yīng)力腐燭開(kāi)裂(SCC)占全部腐燭事故的 1/3以上。應(yīng)力腐蝕可以在表面沒(méi)有明顯腐蝕的情況下產(chǎn)生微裂紋并逐漸擴(kuò)展，具有隱蔽性與突發(fā)性，易造成巨大的安全隱患和財(cái)產(chǎn)損失，危害極大[1-2]。黃銅斷裂在受力結(jié)構(gòu)類零部件中較常見(jiàn)，其常見(jiàn)為應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂，目前已有大量文獻(xiàn)報(bào)道[3-7]。黃銅材料在車載方面的應(yīng)用較少，多用于電器件中，但基本不作為受力件，并且不與腐蝕環(huán)境接觸，故關(guān)于汽車用連接器中黃銅斷裂現(xiàn)象的報(bào)道很少見(jiàn)。本文采用多種方法對(duì)斷裂件與未使用的新件進(jìn)行對(duì)比，找出斷裂原因，為后續(xù)排查和預(yù)防提供參考。

1 理化檢驗(yàn)與結(jié)果

1.1 宏觀形貌分析

連接器金屬外殼沖壓形狀較復(fù)雜，斷裂樣(NG)的斷裂位置在垂直彎折處，可見(jiàn)一定高度的回彈，如圖1a與圖1b所示。斷裂處有較大距離的沖壓鏤空，屬于結(jié)構(gòu)較薄弱區(qū)域。未使用的新件(NU)在彎折區(qū)域均未見(jiàn)明顯的缺陷(見(jiàn)圖1c)。如圖2所示，采用蔡司Stemi 508型體視顯微鏡觀察斷口的低倍形貌可知，斷口無(wú)明顯的塑性變形，斷面整體較平坦，呈脆性斷裂特征。斷口表面可見(jiàn)發(fā)黑異常區(qū)域(見(jiàn)圖2c)，推斷裂紋始于外側(cè)面的拉應(yīng)力面，沿厚度方向內(nèi)側(cè)壓應(yīng)力面擴(kuò)展。

圖1 車載連接器外觀Figure 1 Appearance of automotive connector

圖2 彎折處斷裂低倍圖Figure 2 Low-magnification photos of fracture at bend

1.2 斷口形貌與能譜分析

用酒精超聲清洗斷口，采用日立S-3400N型掃描電子電鏡(SEM)和附帶的550i型X射線能譜儀(EDS)分析斷口形貌和元素組成，結(jié)果見(jiàn)圖3和表1。在裂紋起始區(qū)可見(jiàn)大量腐蝕產(chǎn)物粘附(見(jiàn)圖3a)，擴(kuò)展區(qū)可見(jiàn)“泥紋花樣”(見(jiàn)圖3b)，靠近拉應(yīng)力面的斷面呈沿晶腐蝕形貌(見(jiàn)圖3c)。結(jié)合能譜分析可知，基體材料為銅鋅合金，其表面鍍鎳，清洗后斷面的腐蝕產(chǎn)物中含有酸性腐蝕元素Cl和S。

圖3 斷口不同位置的微觀形貌Figure 3 Micromorphologies at different areas of fracture

表1 斷口不同位置的元素組成Table 1 Elemental compositions at different areas of fracture

1.3 表面形貌

從圖4可知，斷裂樣斷口附近的表面鍍層存在微裂紋。未使用樣品彎折處的鍍層也有微裂紋，并且疑似延伸至基材表面，而未彎折面無(wú)明顯的裂紋。

圖4 斷裂樣(a)與未使用樣品(b, c)的表面形貌Figure 4 Surface morphologies of fractured (a) and unused (b, c) samples

1.4 金相組織分析

從斷口位置取樣，用環(huán)氧樹(shù)脂冷鑲后粗磨、拋光，采用奧林巴斯BX53M型金相顯微鏡、掃描電鏡和X射線能譜儀分析其顯微組織和成分。從圖5a和圖6a可知，斷裂樣與未使用樣品的組織均為孿晶α相，彎折處的晶粒因彎折而變形。從圖 5b和圖 5c可知，斷裂樣的斷口附近以及稍遠(yuǎn)離斷口處均可見(jiàn)鍍層開(kāi)裂現(xiàn)象，開(kāi)裂處的基體局部存在明顯的異常組織，為疏松多孔的銅，屬于典型的脫鋅腐蝕。未使用樣品的彎折處也有鍍層開(kāi)裂(見(jiàn)圖6b)，局部鍍層下的基體也發(fā)生脫鋅腐蝕(見(jiàn)圖6c)。由表2可知，異常組織處的Zn含量明顯比附近組織低，且腐蝕處含有少量Cl。

圖5 斷裂樣彎折處的金相照片和SEM照片F(xiàn)igure 5 Metallographic and SEM images at bent area of fractured sample

表2 斷裂樣和未使用樣品彎折處的元素組成Table 2 Elemental compositions at bent areas of fractured and unused samples

1.5 顯微硬度分析

采用401MVD的維氏硬度計(jì)測(cè)量斷裂樣和未使用樣品截面的顯微硬度，加載量0.3 kg，加載時(shí)間10 s。由表3可知，試樣各位置的顯微硬度無(wú)明顯差異，而斷裂試樣的顯微硬度要稍大于未使用試樣。

表3 斷裂樣和未使用樣品的顯微硬度Table 3 Microhardness of fractured and unused samples（單位：HV）

2 分析與討論

綜合上述分析可知，斷裂樣具有應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂特征。應(yīng)力腐蝕是材料內(nèi)部存在超過(guò)某臨界值的拉力協(xié)同特定介質(zhì)環(huán)境引起的。應(yīng)力腐蝕的發(fā)生需要具備以下3個(gè)必要條件。

(1) 材料因素：黃銅中具有較高含量的鋅，鋅比銅活潑，使黃銅對(duì)應(yīng)力腐蝕較敏感[7]。鋅含量越高，對(duì)應(yīng)力腐蝕越敏感，這是黃銅在含微量氨氣氣氛或硫、氯等潮濕環(huán)境中易發(fā)生應(yīng)力腐蝕失效的主要原因之一。

(2) 應(yīng)力因素：料帶彎折處的晶粒發(fā)生變形，彎折使斷裂處存在一定的彈性應(yīng)力，尤其是外側(cè)面為拉伸應(yīng)力。應(yīng)力腐蝕拉應(yīng)力的臨界值一般遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于材料的屈服強(qiáng)度，即使受力較小的結(jié)構(gòu)件也時(shí)常會(huì)發(fā)生斷裂。斷裂樣的顯微硬度略高于未使用樣品，是由于兩者的晶粒存在差異，前者的晶粒尺寸稍大于后者。顯微硬度高，變形時(shí)自身的殘余應(yīng)力相應(yīng)增大[8]，相比于彎折時(shí)產(chǎn)生的彈塑性應(yīng)力，殘余應(yīng)力雖非斷裂的主要應(yīng)力，但卻是促進(jìn)斷裂的因素之一。

(3) 環(huán)境因素：裂紋斷面的腐蝕產(chǎn)物中含有 Cl、S等酸性腐蝕性元素，它們?cè)诔睗窨諝庵腥菀自诒砻嫘纬蓱?yīng)力腐蝕的電解質(zhì)環(huán)境。Cl?與S2?的聯(lián)合作用比單獨(dú)的Cl?或S2?又或潮濕空氣使材料更易且更快地發(fā)生應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂[9]，這是部分黃銅材料過(guò)早失效的主要原因之一。

黃銅脫鋅腐蝕是典型的成分選擇性腐蝕[10]，脫鋅腐蝕的腐蝕產(chǎn)物為喪失強(qiáng)度的、疏松多孔的銅渣結(jié)構(gòu)[11]，對(duì)產(chǎn)品的危害較大。彎折拉應(yīng)力的存在會(huì)加快縱深方向的腐蝕，導(dǎo)致材料在腐蝕部位的應(yīng)力集中程度加重，從而使斷裂在選擇性腐蝕薄弱區(qū)優(yōu)先發(fā)生，成為裂紋源區(qū)。黃銅鍍鎳能將基體與空氣隔絕，顯著增強(qiáng)材料的抗腐蝕性能，但鍍層開(kāi)裂使得黃銅容易暴露在腐蝕環(huán)境中。對(duì)于汽車而言，元器件所在線路板一般處于汽車內(nèi)飾內(nèi)部，較少處于潮濕環(huán)境，也很難接觸腐蝕類物質(zhì)，況且未使用試樣也發(fā)生了脫鋅腐蝕，故排查腐蝕元素來(lái)源時(shí)應(yīng)首先考慮鍍鎳層的裂紋中是否有清洗液殘留[12]，并排查存儲(chǔ)運(yùn)輸過(guò)程是否出現(xiàn)異常。

3 結(jié)語(yǔ)

金屬殼體的斷裂模式為應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂，應(yīng)力來(lái)源于料帶彎折產(chǎn)生的彈塑性應(yīng)力，而彎折處鍍鎳層存在裂紋，使黃銅基體裸露，可與含酸性腐蝕元素的電解質(zhì)接觸，為殼體應(yīng)力腐蝕提供條件。為防止此類事故產(chǎn)生，主要從以下方面著手：

(1) 改善電鍍工藝，使鍍層具有一定的抗變形能力。

(2) 使用級(jí)進(jìn)沖制模具多步成型，減少鍍鎳層沖壓裂紋。

(3) 檢查清洗設(shè)備和清洗工藝，及時(shí)更換清洗液。

(4) 檢查存儲(chǔ)運(yùn)輸過(guò)程，防止殼體處于潮濕環(huán)境中。