林黄智,田 柳

(安徽职业技术学院 a.计算机与信息技术学院,b.汽车工程学院,安徽 合肥 230011)

0 引言

电子元器件在电器、无线电、仪器仪表等领域有着广泛应用,且由于外部使用环境、受力形式各不相同,实际应用过程中的电子元器件会发生不同程度的损坏,严重时甚至会发生火灾等事故[1-3]。因此,对于每一次电子元器件的失效进行分析,搞清楚电子元器件的断裂失效原因,将有助于同类事故的预防,提升电子元器件的使用寿命,保障设备的稳定运行[4-7]。某电子元器件导线(规格:BZⅡ-3 mm2)在使用过程中发生断裂,需要参照电子元器件技术规格书(IN48200.2-1981、DIN48201.2-1981、DIN48203.2-1984),以及电子元器件用铜及铜合金导线标准等,对其宏微观断口、剖面组织、微区成分和显微硬度等进行检测,在此基础上,综合分析电子元器件导线断裂原因,结果将有助于避免同类事故发生,并具有借鉴意义。

1 理化检验

1.1 宏观分析

断裂电子元器件导线宏观形貌如图1所示。导线由7根单线缠绕而成,最大外径约7.5 mm,单线直径约2.5 mm,大部分表面覆盖深灰色腐蚀产物,局部区域产物剥落裸露铜红色金属表面,未见大尺寸异常腐蚀。导线一端7根单线中5根发生横向断裂,各单线断口编号如图1中标示,1#、3#、4#、5#断口附近表面可观察到有规律的横向压痕,各压痕间距约1.3 mm,此外2#和5#断口附近(导线内侧)还有缠绕挤压痕。用毛刷刷洗后用体式显微镜对各单线断口进行检查,各断口宏观形貌特征大致相同,为典型疲劳断口,起始区和扩展区均较平坦,放射状扩展花样显示,断裂一侧表面起裂后向对侧扩展,扩展约1.1～1.5 mm后发生斜向瞬断,1#、2#、3#断口局部覆盖暗灰色腐蚀产物,表明疲劳断裂经历时间较长,其中1#、3#断口源区位于表面压痕处。2根未断单线在较大弯扭应力作用下,偏离原始导线缠绕轨迹,发生侧向弯扭塑性变形[8]。宏观形貌分析表明,导线在较大弯扭应力作用下部分单线从应力集中的表面压痕处发生横向疲劳断裂。

图1 断裂电子元器件导线宏观形貌Fig.1 Macro morphology of broken electronic component wires

1.2 化学成分分析

从导线断裂位置附近取样,根据标准GB/T 5121.27-2008和GB/T 5121.1-2008对导线化学成分进行分析,分析结果如表1所示。表中同时列出了电子元器件用铜及铜合金导线规范对铜镁导线化学成分规定要求。可见铜镁导线材料化学成分符合标准规范要求。

表1 材料化学成分分析结果及规定要求Tab.1 Results of material chemical composition analysis and specified requirements

1.3 力学性能测试

从断口附近截取导线及单线拉伸试样,采用拉伸试验机分别对其拉断力和拉伸性能进行检测,结果如表2所示。表中同时列出了电子元器件用铜及铜合金导线规范要求[9],测试过程中各试样均在两侧夹持端断裂,导线拉断力和单线拉伸强度试验值供参考,理论上而言,测量值略低于实际值[10]。可见导线拉断力基本符合标准规范要求,单线抗拉强度较高。

表2 导线和单线的拉伸测试结果Tab.2 Tensile test results of conductor and single wire

根据GB/T 4340.1-2009标准测试了断口起始区以及附近基体的显微硬度,载荷100 g,结果如表3所示。可见,源区和基体硬度相差不大。

表3 不同区域显微硬度测试结果Tab.3 Microhardness test results in different areas

1.4 金相检验

截取1#断口制备剖面金相试样,在金相显微镜下观察到组织形貌如图2所示。可见断裂起源于表面横向压痕缺陷处,从与附近其他缺陷尺寸(宽约0.6 mm,深度80～100 μm)对比分析来看,源区位置(距压痕边缘约0.4 mm)大致位于压痕底部。源区和扩展区断口表层有轻微变形,瞬断区可见明显斜向剪切形变[11]。材料内部组织较均匀,源区压痕、附近其他压痕、附近基体组织均呈纤维状,为典型大拉拔形变后组织形态[12],靠近心部局部可见纵向拉伸晶粒。

图2 1#断口剖面金相形貌Fig.2 Metallographic appearance of fracture section of sample 1#

1.5 表面微观形貌分析

用扫描电镜观察到1#、2#、3#断口附近表面微观形貌如图3所示。1#、3#源区断口附近表面横向压痕轮廓呈椭圆形,其中长轴(横向)最大约1.4 mm,短轴(纵向)最大约0.7 mm;2#断口附近表面发现纵向缠绕挤压痕,在源区附近挤压痕宽度(横向)约0.4 mm。压痕缺陷表面可见细密磨痕,未见大尺寸异常腐蚀,仅3#断口附近表面观察到小腐蚀坑,腐蚀产物含O、Cu、Al、Si、S等。

图3 源区断口附近压痕表面形貌Fig.3 Surface morphology of indentation near the fracture in the source area

1.6 断口形貌和能谱分析

用扫描电镜观察单线断口微观形貌如图4所示。1#、2#、3#、4#和5#试样各断口微观形貌特征大致相同,均从表面起裂并向对侧扩展,选取具有代表性的1#试样进行断口形貌观察和能谱分析。其中1#断口起始表面横向压痕,源区附近未见明显腐蚀和大尺寸的夹杂缺陷;扩展区断口磨损严重,断口上发现较清晰的与疲劳扩展方向垂直的疲劳辉纹;瞬断区均为韧窝状剪切斜断口。断口上局部发现有腐蚀产物,腐蚀产物中主要含其中Cu、O、Si、S、Cl等。

图4 1#断口形貌和能谱分析Fig.4 Fracture morphology and energy spectrum analysis of sample 1#

2 讨论与结论

电子元器件导线的部分单线表面局部分布有不同尺寸横向压痕,不符合电子元器件用铜及铜合金导线规范要求。电子元器件导线整体在弯扭应力作用下,各单线外侧表面承受较大轴向拉应力,从各断裂单线分布相对位置分析,受力大小依次为1#>2#>3#>5#>4#。单线在拉应力作用下,极易在表面横向压痕处发生应力集中,疲劳裂纹优先从受力较大单线的压痕缺陷处起始,并顺着弯扭应力方向扩展一定距离后斜向剪切瞬断。

电子元器件表面横向压痕是诱发导线断裂的重要原因,在实际应用过程中,应该注意对电子元器件的外部进行保护,以免由于磕碰、挤压等在导线外表面形成损伤,当表面损伤达到一定深度、宽度后会在局部产生应力集中,在应力集中处容易萌生裂纹并在外力作用下逐渐扩展,当外部环境中有周期性往复载荷作用时,形成疲劳裂纹扩展;当裂纹扩展到导线剩余面积无法承受需求载荷时,导线会发生瞬间断裂而造成失效。