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.深圳市美信檢測技術股份有限公司，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總值的2% ~ 4%。金屬腐蝕是安全事故發生的一個重要原因，在各種金屬腐蝕形式中，應力腐燭開裂(SCC)占全部腐燭事故的 1/3以上。應力腐蝕可以在表面沒有明顯腐蝕的情況下產生微裂紋并逐漸擴展，具有隱蔽性與突發性，易造成巨大的安全隱患和財產損失，危害極大[1-2]。黃銅斷裂在受力結構類零部件中較常見，其常見為應力腐蝕開裂，目前已有大量文獻報道[3-7]。黃銅材料在車載方面的應用較少，多用于電器件中，但基本不作為受力件，并且不與腐蝕環境接觸，故關于汽車用連接器中黃銅斷裂現象的報道很少見。本文采用多種方法對斷裂件與未使用的新件進行對比，找出斷裂原因，為后續排查和預防提供參考。

1 理化檢驗與結果

1.1 宏觀形貌分析

連接器金屬外殼沖壓形狀較復雜，斷裂樣(NG)的斷裂位置在垂直彎折處，可見一定高度的回彈，如圖1a與圖1b所示。斷裂處有較大距離的沖壓鏤空，屬于結構較薄弱區域。未使用的新件(NU)在彎折區域均未見明顯的缺陷(見圖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。斷口表面可見發黑異常區域(見圖2c)，推斷裂紋始于外側面的拉應力面，沿厚度方向內側壓應力面擴展。

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，結果見圖3和表1。在裂紋起始區可見大量腐蝕產物粘附(見圖3a)，擴展區可見“泥紋花樣”(見圖3b)，靠近拉應力面的斷面呈沿晶腐蝕形貌(見圖3c)。結合能譜分析可知，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，用環氧樹脂冷鑲后粗磨、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離斷口處均可見鍍層開裂現象，開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裂(見圖6b)，局部鍍層下的基體也發生脫鋅腐蝕(見圖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Figure 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的維氏硬度計測量斷裂樣和未使用樣品截面的顯微硬度，加載量0.3 kg，加載時間10 s。由表3可知，試樣各位置的顯微硬度無明顯差異，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，斷裂樣具有應力腐蝕開裂特征。應力腐蝕是材料內部存在超過某臨界值的拉力協同特定介質環境引起的。應力腐蝕的發生需要具備以下3個必要條件。

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

(2) 應力因素：料帶彎折處的晶粒發生變形，彎折使斷裂處存在一定的彈性應力，尤其是外側面為拉伸應力。應力腐蝕拉應力的臨界值一般遠遠低于材料的屈服強度，即使受力較小的結構件也時常會發生斷裂。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，變形時自身的殘余應力相應增大[8]，相比于彎折時產生的彈塑性應力，殘余應力雖非斷裂的主要應力，但卻是促進斷裂的因素之一。

(3) 環境因素：裂紋斷面的腐蝕產物中含有 Cl、S等酸性腐蝕性元素，它們在潮濕空氣中容易在表面形成應力腐蝕的電解質環境。Cl?與S2?的聯合作用比單獨的Cl?或S2?又或潮濕空氣使材料更易且更快地發生應力腐蝕開裂[9]，這是部分黃銅材料過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]，脫鋅腐蝕的腐蝕產物為喪失強度的、疏松多孔的銅渣結構[11]，對產品的危害較大。彎折拉應力的存在會加快縱深方向的腐蝕，導致材料在腐蝕部位的應力集中程度加重，從而使斷裂在選擇性腐蝕薄弱區優先發生，成為裂紋源區。黃銅鍍鎳能將基體與空氣隔絕，顯著增強材料的抗腐蝕性能，但鍍層開裂使得黃銅容易暴露在腐蝕環境中。對于汽車而言，元器件所在線路板一般處于汽車內飾內部，較少處于潮濕環境，也很難接觸腐蝕類物質，況且未使用試樣也發生了脫鋅腐蝕，故排查腐蝕元素來源時應首先考慮鍍鎳層的裂紋中是否有清洗液殘留[12]，并排查存儲運輸過程是否出現異常。

3 結語

金屬殼體的斷裂模式為應力腐蝕開裂，應力來源于料帶彎折產生的彈塑性應力，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接觸，為殼體應力腐蝕提供條件。為防止此類事故產生，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) 使用級進沖制模具多步成型，減少鍍鎳層沖壓裂紋。

(3) 檢查清洗設備和清洗工藝，及時更換清洗液。

(4) 檢查存儲運輸過程，防止殼體處于潮濕環境中。