硬同軸線接插頭斷裂失效分析

宋為民 楊靖輝 朱紹峰

【摘要】本文通過對硬同軸線接插頭斷裂樣品分析，分別檢驗了樣品的化學成分、硬度和金相組織，采用掃描電子顯微鏡觀察了斷口的微觀形貌。結果表明，使用過程中斷裂的樣品是由于工作環境溫度高導致第二相和晶體長大，材料強度下降而產生的斷裂;產品裝機試驗時斷裂的樣品是由于固溶處理過熱而產生的脆性斷裂。通過分析，提出了接插頭質量控制和使用環境控制的措施。

【關鍵詞】硬同軸線;接插頭;斷裂分析

引言

同軸線屬于TEM波（橫向電磁波）傳輸線，是一種由內、外導體構成的雙導體傳輸線。因具有頻帶寬，損耗低，尺寸小，與微帶電路連接方便等特點，廣泛應用于功率傳輸系統中。同軸線按結構型式可分為軟同軸線和硬同軸線。硬同軸線的外導體是金屬管，內導體一般為金屬管或實心的導體，用鈹青銅QBe2制作。內、外導體間的介質是空氣，內、外導體用介質材料實現支撐[1]。同軸線連接接頭分為接插頭和平接頭。插接頭指，內導體一個做成插芯，另一個做成插孔，通過插芯和插孔連接。外導體則通過螺紋或卡口連接[2]。硬同軸線系統在空間布局受制約，傳輸功率較大時，對接插頭連接要求較高，如接觸電阻要小，無泄漏功率，無尖角等。大功率傳輸中插接頭連接易產生打火、插頭斷裂等形式而失效。本文對運行過程中及裝配過程中發生的接插頭斷裂現象進行了分析，提出了零件質量控制措施。

1.斷裂現象

圖1 使用過程斷裂失效樣品 ? ?圖2 裝配過程失效樣品

（樣品1） ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （樣品2）

硬同軸線接插頭斷裂有產品使用過程中斷裂（樣品1）和在產品裝機試驗時斷裂（樣品2）兩種形式。斷裂均發生于插接頭的根部，斷口與軸心線垂直，斷面無宏觀塑性變形，斷口表面有黑色物質覆蓋。使用過程斷裂失效樣品（樣品1）局部可以看到因電弧而留下的燒蝕痕跡。

2.斷裂失效樣品的理化分析

2.1 樣品的硬度

對樣品進行維氏硬度測試，每個樣取5點測試平均值。樣品1維氏硬度為265 HV0.2，樣品2維氏硬度為385 HV0.2。可以看出，經使用一段時間后，硬同軸線接插頭硬度數值有較大幅度的下降。

2.2 樣品化學成分

對兩種斷裂樣品化學成分分析結果（如表1所示）表明，對兩種樣品取樣后，所測元素化學成分符合GB/T5231-2001的規定。

表1 樣品1成分（wt%）

成分元素 Be Ni Fe Al Si

GB/T5231-2001 1.9-2.2 0.2-0.5 ≤0.15 ≤0.15 ≤0.15

樣品1 2.05 0.24 0.10 0.12 0.12

樣品2 2.10 0.31 0.11 0.10 0.10

2.3 顯微組織

在平行于斷口平面方向取樣，用1號至4號金相砂紙逐級磨制后進行機械拋光，用腐蝕后在工學顯微鏡下對樣品進行觀察。依據GB/T 6394-2002對樣品平均晶粒度進行計算。樣品1顯微組織為α基體上發布著γ2相，顯微組織中出現異常大晶粒（圖3），晶界較平直。根據GB/T 6394-2002，樣品平均晶粒度約45微米。樣品2顯微組織為α基體上發布著γ2相，局部區域可觀察到孿晶組織（圖4）。晶界較直，有局部熔合現象。根據GB/T 6394-2002，樣品平均晶粒度約32微米。

圖3 樣品1組織 ? ?400× ? ?圖4 樣品2組織 ? ?400×

2.4 微觀斷口

采用掃描電子顯微鏡，分別對樣品1和樣品2斷口進行觀察。圖5為樣品1斷口微觀形貌，圖5a斷裂特征為韌窩+少量解理。在圖5a中，除韌窩外，還可以看到晶界間的孔洞。圖6為樣品2斷口微觀形貌，6a斷裂特征為沿晶+少量韌窩，6b可以觀察到二次裂紋和晶界間的缺陷，說明部分晶粒之間結合狀況不好。

（a）斷口形貌 ? 500× ? ? ? ? ? （b）斷口形貌 ? 4000×

圖5 樣品1斷口形貌

（a）斷口形貌 ? 1000× ? ? ? ?（b）斷口形貌 ? ?4000×

圖6 樣品2斷口形貌

3.分析

從成分分析結果可以看出，兩種失效構件均符合GB/T5231-2001對QBe2成分要求。樣品1維氏硬度為265 HV0.2，樣品2維氏硬度為385 HV0.2，樣品1硬度明顯低于樣品2。QBe2是一種時效硬化型銅合金，時效溫度275-340℃，經失效處理后，其硬度一般高于36～38HRC（約為360～380Hv），在300℃以下工作，力學性能良好，但在超過340℃，隨著時間增加有過時效效應，造成材料材料抗拉、屈服及疲勞強度會降低，隨著溫度上升和時間延長性能進一步下降。樣品1經過使用后硬度降低，說明該部件在340℃以上的環境下工作。

同軸線接插頭在使用過程中因打火或接觸不良均會導致工作溫度升高。由于同軸線接插頭在高功率環境工作，因此要求接觸良好，通常對同軸線接插頭來說，插座或插芯的內導體上均可開槽，靠接觸處的徑向彈力保證插芯和插孔的良好接觸。但在使用過程有時會出現以下現象：

（1）絕緣不良。由于存在表面塵埃、焊劑等污染物，在受潮時，有機材料析出物及有害氣體吸附膜與表面水膜溶合形成離子性導電通道，容易發生漏電、擊穿等絕緣不良現象。另外，絕緣材料老化也可能造成絕緣不良。

（2）插孔松弛。插合狀態產生接觸正壓力的簧片要有一定的變形量，若零件沒有按要求加工出現收口至閉合或收口不齊，造成收口變形量小，分離力小，容易在后續使用失效，而接觸不良也會促進絕緣不良現象。

由于同軸線接插頭的加工插孔松弛及絕緣不良會造成打火現象，造成溫度升高，使用過程產生反復高溫沖擊，會出現析出相進一步長大，晶粒也會長大的現象，圖3中金相分析也證實了之一推斷。因此，可以判斷樣品1是由于在使用過程中承受熱沖擊而導致強度下降，脆性增大，從而產生的斷裂。

樣品2硬度正常，晶界較直，有局部熔合現象，說明該樣品在淬火處理是有輕微過熱。圖4中局部區域觀察到孿晶組織，孿晶組織是α基體在冷變形過程中產生的。圖6b中觀察到二次裂紋和晶界間的缺陷，從另一個方面證實了輕微過熱組織的存在。過熱導致晶界局部熔合，削弱了晶界之間的結合力，降低了材料的強度，增加了材料的脆性。因此，可以認為樣品2是由于過熱導致的斷裂失效。

4.控制措施

從上述分析可以看出鈹青銅的打火斷裂及試驗斷裂分別是環境和熱處理過程中引起的。在熱處理工藝控制方面，由于QBe2的熱處理條件嚴格，為了防止零件表面氧化，必須在真空爐內進行;在熱處理工藝控制方面，要求溫度波動控制在±10℃范圍內。

裝機前進行高功率篩選，為保證接觸可靠并有一定的接觸壓力，插芯、插孔都要進行100%的插拔力檢查。裝配成品后也應按技術條件進行插拔力檢查。

除了上述原因引起失效，還有一些難以控制因素作用下也會造成打火，因此要設置高功率試驗臺，通過耐功率試驗，監測溫升，以進一步檢驗同軸線接插頭的電性能，確保裝機前的同軸線性能滿足指標要求。

影響接觸壓力和表面膜層變化的主要因素有振動和溫度，其中又以溫度對電連接器的工作壽命影響最大，這是因為溫度不僅決定了在大氣環境下接觸件表面膜層的生長，而且還會因插孔蠕變而影響電連器接觸壓力的大小[5]。絕緣件的材料老化，鈹青銅的應力松弛[6]也受溫度影響較大，所以硬同軸線接插頭的溫度控制很重要，改善散熱讓其在合理的溫度范圍內工作有利于可靠性提高。

5.結束語

對同軸線接插頭斷裂失效樣品理化分析，確定其斷裂原因分別是工作環境溫度高和熱處理工藝過程中固溶處理溫度高通過試驗總結各種失效模式和失效機理，為合理地改進設計、加強過程控制提供有效依據。

參考文獻

[1]閆潤卿，李英惠.微波技術基礎（第二版）[M].北京：北京理工大學出版社，1997年12月.

[2]薛良金.微波技術基礎（下冊）[M].北京：國防工業出版社，1982年1月第一版.

[3]潘奇漢.鈹銅合金性能與其元件生產[J].電子元件與材料，2004，23（2）：44-45.

[4]陳文華，程耀東，李平真，盧獻彪.航天電連接器的可靠性數學模型[J].航空學報，1997，18（6）：732-734.

[5]張新明，毛新平，鄧至謙，范波，周卓平，曹金榮.鈹銅帶材彎曲應力松弛的力學行為[J].中國有色金屬學報，2001，11（6）：989-992.

作者簡介：宋為民（1967—），男，研究員，主要從事雷達工藝總體研究工作。