航空電連接器熱疲勞失效機理研究

駱燕燕，劉旭陽，郝杰，王振，劉磊，林小明

（1.河北工業大學電氣工程學院電磁場與電器可靠性省部共建重點實驗室，天津300130；

2.北京航天萬源科技公司，北京100176；3.國家電網公司天津市電力公司城南供電分公司，天津300201）

航空電連接器熱疲勞失效機理研究

駱燕燕1，劉旭陽1，郝杰1，王振2，劉磊3，林小明2

（1.河北工業大學電氣工程學院電磁場與電器可靠性省部共建重點實驗室，天津300130；

2.北京航天萬源科技公司，北京100176；3.國家電網公司天津市電力公司城南供電分公司，天津300201）

電連接器插孔是彈性元件，在交變熱應力的作用下易產生熱疲勞，出現應力松弛現象，從而影響電連接器的接觸可靠性。結合加速壽命試驗理論，提出了一種電連接器熱疲勞試驗方案，設計了試驗電路并進行了試驗，分析了電連接器的熱疲勞失效機理。試驗結果表明：試品的接觸電阻值隨溫度循環次數的增加而緩慢增長，其宏觀原因是插孔收口處孔徑增加，接觸件間接觸力減?。谎h應力中溫差或溫度變化率的增加，會加速連接器接觸電阻的增長。試驗后試品插孔的金相分析發現：溫度循環條件下，連接器插孔中微觀組織結構的變化，即插孔中的α相晶粒尺寸和滑移線密度均有所增加，滑移方向差異化程度增強，是導致其接觸可靠性和性能逐步蛻化的根本原因；溫差范圍與溫度變化率對電連接器性能蛻化的綜合作用取決于滑移線密度與滑移方向差異化程度的“對抗”結果。

飛行器儀表、設備；航空電連接器；熱疲勞；應力松弛；金相分析；失效機理；性能蛻化

0 引言

電連接器是一種基礎的機電元件，主要用于實現電信號的傳輸、控制及電子與電氣設備間的電連接，廣泛應用在航空、航天、電子、通信等領域。電連接器可靠性水平的高低對系統的安全運行有重要的影響［1］。

電連接器的可靠接觸是靠接觸件（插針與插孔）間穩定的接觸力實現的。插孔是彈性元件，在長期受到接觸力和熱應力的作用下，其彈性形變會不斷轉化為塑性形變，從而使接觸力降低，接觸電阻增大，接觸性能蛻化。因此，熱疲勞對電連接器可靠性的影響不容忽視。

國內外學者關于溫度對電連接器可靠性的影響研究主要包括三個方面:1）仿真研究。Santosh等利用耦合多物理場模型和多尺度正弦粗糙表面（MARS）有限元分析模型分析了不同表面光潔度和不同材料的電連接器的結構、電氣和熱性能［2］；Liao等研究發現，無論是在固定高溫條件下或一定時間周期后的熱循環過載條件下，CPU插槽連接器端子的接觸力仍然滿足相關的最低要求，且接觸力的變化與接觸電阻關聯度不高［3］；Rebecca等用ABAQUS建模，研究了單個連接器接觸件在恒定溫度和熱循環條件下的微動磨損機理［4］。2）試驗驗證或評估。靳哲峰等分別研究了電連接器在恒定熱應力、振動應力及綜合應力下的可靠性，建立了相應的可靠性模型，并對不同工作環境下電連接器的失效機理進行了分析［5-8］；Lücke等對插入式連接器的接觸電阻和剩余彈簧力進行測量，以此評估應力松弛對鈹銅接觸片插入式連接器性能的影響［9］；Essone-Obame等采用了一種非侵入式的激光技術觀測了同一連接器內不同剛度彈簧的線性偏移并討論了熱循環條件下連接器老化與彈簧剛度間的依賴關系［10］。3）材料性能蛻化機理研究。著名學者Duhame研究發現，誘發材料失效的主要原因是材料內部所受熱應力不均勻，并推導了熱應力計算公式，但并沒有將熱應力與熱疲勞聯系在一起；Manson和Coffin相繼提出了著名的Coffin-Manson公式，指出材料的塑性變形對其疲勞壽命有很大的影響［11-12］。我國學者也對一些金屬材料熱疲勞問題進行了大量的研究［13-14］。但研究并未涉及工況下具體產品的性能蛻化。

在實際使用環境條件中，不同形式的熱應力如高溫、低溫及熱沖擊等引發的電連接器的失效模式各不相同［7-8，15］。交變熱應力會導致連接器的插孔產生熱疲勞現象，從而影響其接觸可靠性，最終引發失效。本文主要通過熱疲勞試驗來研究溫差及溫度變化率對航空電連接器性能蛻化的影響規律，并由微觀組織演變來分析其失效機理。

1 熱疲勞試驗方案

1.1 試驗樣品

本文選取某型號三針圓形航空電連接器作為試驗樣品，其主要技術參數如表1所示。

表1 某型號三針圓形電連接器主要技術參數Tab.1 Main parameters of a three-pin round electrical connector

1.2 試驗方案

參照電工電子產品環境試驗相關標準，本文確定了航空電連接器熱疲勞試驗中溫度循環方案，其示意圖如圖1所示［16-19］。

圖1 熱疲勞試驗方案示意圖Fig.1 Schematic diagram of thermal fatigue test scheme

由圖1可知，每個溫度循環周期包含上限溫度保持期，下限溫度保持期以及上下限溫度間的交替轉換期。圖1中，TA為循環中的下限溫度應力值，TB為循環中的上限溫度應力值，t1為上限/下限溫度應力條件下的暴露時間，A為第一個循環開始，B為第一個循環結束，第二個循環開始。

本文選用的電連接器試驗樣品的工作溫度范圍為-20℃～80℃.為了盡可能模擬自然使用條件，同時又能節約試驗成本，縮短試驗時間，本文結合加速壽命試驗理論將上限溫度值設定為4個應力水平等級，又據IEC國際電工標準中“最低加速溫度應力不超過所預測溫度的20℃～25℃，在不改變失效機理的前提下，最高應力應盡可能比正常應力高一些”的原則，參照國家標準GB/T2423.02—2008中的高溫推薦值，本文選取上限溫度最高應力水平為100℃，最低應力水平為55℃；根據阿倫尼斯模型，中間兩個溫度應力可按其倒數等間隔進行選取，即

式中:T1為最低應力水平；Tk為最高應力水平，應力水平個數k=4.由（1）式、（2）式可以推算出所求溫度應力為64.7℃和78.6℃.

為了避免試驗條件過于復雜，下限溫度值參照國家標準GB/T2423.01—2008設定為-10℃［20-22］.

此外，GB/2423.22和GB/T2424.13規定，試驗溫度變化率可按1℃/min±0.2℃/min、3℃/min± 0.6℃/min或者5℃/min±1℃/min進行合理的選擇；若模擬晝夜溫差的變化，推薦選擇1℃/min± 0.2℃/min.為了避免溫度變化率過高引入新的失效機理，本文僅選取1℃/min和3℃/min［16-17］.

本文進行了8組熱疲勞試驗，其試驗方案如表2所示。

表2 航空電連接器熱疲勞試驗方案Tab.2 Thermal fatigue test sheme of aviation electrical connectors

在每次循環中上限溫度暴露期，本文對接觸電阻進行監測，采集頻率為1次/min，并將采集數據與失效閾值相比較。若無失效發生，則取采集數據平均值作為本次測試的接觸電阻值。此外，本文對熱疲勞試驗前后電連接器試品的插拔力及插孔收口尺寸進行了測量。

1.3 試驗電路

根據上述試驗方案，本文設計的試驗電路原理框圖如圖2所示。其中:WYK-3020-J直流穩壓穩流源為電連接器試品提供額定電流；SETH-Z-040調溫與調濕箱提供試驗設定的溫度循環條件；數據采集電路和THL2511直流低電阻測試儀對試品的接觸電阻值進行測量。

圖2 試驗電路原理框圖Fig.2 Block diagram of test circuit

2 熱疲勞試驗數據分析

由表1可知，當接觸件接觸電阻Rj≥5 mΩ時，可判定電連接器失效。8組試驗中，均未出現失效試品，但試品的相關參數呈現了一定的變化趨勢。

2.1 接觸電阻值的變化

8組試驗中部分試品接觸電阻值變化趨勢如圖3所示。

由圖3可知，隨著熱循環次數的增加，上限溫度暴露期間，8組試品接觸件的接觸電阻值均呈緩慢上升趨勢。當溫度變化率相同時，隨著溫差范圍增大，接觸件接觸電阻值凈增量逐步擴大，且波動性減小，電連接器接觸性能蛻化趨勢更為明顯；當溫差范圍相同，溫度變化率增大時，電連接器接觸性能蛻化趨勢差異不大，且接觸件接觸電阻值的波動性也有減小趨勢，但凈增量無明顯增加；最大溫差條件下（對比圖3（g）、圖3（h）），高溫度變化率下的接觸電阻值凈增量反而略低。這表明溫差范圍是影響接觸件接觸電阻增大的主導因素，溫度變化率與溫差范圍的共同作用并非簡單的疊加效應。

2.2 插孔收口尺寸的變化

為了保證電連接器插針與插孔間穩定的接觸力，插孔插合端設計為收口結構，收口處槽的寬度比槽根部的寬度要小，如圖4所示。試驗前后，8組試品插孔收口處（插合端）槽寬度的變化量如圖5所示。

由圖5可知，經過80次試驗循環后，8組試品插孔插合端的槽寬均發生了不同程度的增加。槽寬的增加表明插孔插合端的孔徑增大。隨著溫差范圍和溫度變化率的增大，槽寬的平均增量均有所增加；但隨著溫差的增大，高溫度變化率引起的槽寬增加量的差異程度呈逐步下降趨勢。

2.3 插拔力的變化

試驗前后電連接器試品的插拔力變化量如圖6所示。

由圖6可知，熱疲勞試驗后，電連接器的插拔力（插入力和分離力）均有不同程度的減小。溫差越大，插拔力減小量越大；溫度變化率越高，插拔力減小量越大；但與槽寬增加量變化規律類似，隨著溫差的增大，高溫度變化速率引起的插拔力減小量的差異也表現出下降趨勢。

2.4 性能參數變化的關聯性

由材料力學相關理論可知，插孔中單個接觸簧片可簡化成懸臂梁模型，如圖7所示。

其模型關系式為

式中:F為插孔發生變形后對插針產生的接觸力（N）；E為插孔材料的彈性模量（MPa）；δ為擾度（mm）；Ix為插孔截面關于中層軸x的慣性矩（mm4）；L為插孔接觸片長度（mm）。

由電接觸基本理論可知，接觸電阻與接觸力間的關系為

式中:Rj為接觸電阻（μΩ）；K′為電材料表面情況等因素決定的相關系數；m為與接觸面形式相關的指數。

插拔力與接觸力間的關系為

式中:μ為接觸面之間的摩擦因數；Fi為插拔力（N）；Fn為接觸力的法向分量（N）。

試驗數據表明:不同溫差或溫度變化率引發的熱疲勞直接表象是插孔收口處槽寬增加，孔徑增大，而由插孔結構和接觸簧片模型（見圖5、圖7）可推斷，插孔懸臂梁模型中的撓度將減?。挥钟桑?）式～（5）式可知，撓度減小，則接觸力減小，插拔力減小，接觸電阻增加。這說明連接器熱疲勞現象是通過改變其彈性元件插孔的形變而最終影響接觸電阻值，造成接觸性能退化的。但隨著溫差范圍的增加，溫度變化率的影響效果有所減弱，表現為槽寬增加量和插拔力減小量的差異性呈下降趨勢，且接觸電阻的凈增量有所降低。這種變化規律需通過插孔材料的微觀組織變化來分析。

圖3 電連接器接觸件接觸電阻測量值Fig.3 Contact resistance of electrical connectors

3 熱疲勞失效機理分析

金屬材料宏觀性能的改變通常源于其微觀組織的變化。本文試圖從微觀組織構成及演變的角度對熱疲勞試驗后連接器性能蛻化機理進行推理分析。

3.1 接觸件的金相組織

本文所選的電連接器試品接觸件的材料是銅-鋅二元合金（即黃銅），其相圖如圖8所示［23］。

由圖8可以看出，隨鋅固溶于銅中含量的增加，固態下可以出現α、β、γ三種相。通常把α相區、α+β相區和β相區的合金分別稱為α黃銅、α+β黃銅和β黃銅。本文研究的電連接器接觸件銅材是H59黃銅，屬于α+β黃銅，α相占比較大。α相是鋅在銅中的固溶體，屬于面心立方晶格結構；β相是以化合物CuZn為基的可變固溶體，為體心立方晶格結構，極易腐蝕，在明場下顏色較深、易變黃或變黑［24-25］。

圖4 電連接器插孔實物圖Fig.4 Physical graph of electrical connector jack

圖5 插孔槽寬平均增加量Fig.5 Average increment of jack slot width

8組試驗后部分電連接器接觸件樣品的樣圖如圖9所示。

從圖9可以看出，試品插孔存在兩種相（即兩種組織），其中淺色部分是α相，成卵石狀；黑色部分是β相。α相在β相析出時首先在β相的晶界大量出現，α相構成的連續基體對材料的變形有促進作用。由對比分析可知，隨著熱疲勞試驗中溫差范圍或溫度變化率的增加，α相在β相晶界析出現象更為明顯，插孔材料的晶粒尺寸也有所增大。

黃銅屬于多晶體結構，其屈服強度σy與晶粒平均直徑d的關系遵循著名的霍爾-佩奇公式，為

式中:σ0是晶內對變形的阻力系數；K是晶界對變形的影響系數。

圖6 試驗前后試品插拔力變化量Fig.6 Change of insertion and withdraw forces of samples before and after test

圖7 插孔接觸簧片的懸臂梁模型Fig.7 Cantilever model of single jack contact spring

由此可以推斷，熱疲勞試驗后，插孔中晶粒尺寸增大，插孔的強度、硬度、塑性、韌性均會有所下降，即綜合力學性能下降；α相中Zn的析出也會使合金的強度降低，欒晶的產生也說明插孔在經受熱疲勞試驗后已經發生了塑性變形。

圖8 銅-鋅二元合金相圖Fig.8 Metallographic diagram of Cu-Zn binary alloy

3.2 滑移線密度

由微觀組織演變機理可知，交變熱應力作用下，超過接觸件材料的彈性極限后，晶體中生層片間會產生相對滑移，即晶體的一部分沿著一定的晶面（滑移面）和一定的晶向（滑移方向）相對于晶體的另一部分作相對移動。大量的片層之間的滑動積累就構成了宏觀上的塑性變形［26］。

試驗樣品插孔的滑移線掃描電鏡圖如圖10所示，從中可以看出，熱疲勞試驗后，插孔的微觀組織出現了滑移:1）溫差范圍增加后，晶粒中滑移線密度明顯增大；2）相同溫差條件下，溫度變化率增加，滑移線密度明顯增大，而且滑移方向增多，使滑移呈區域化趨勢較為明顯。由材料熱力學理論可知，溫度變化率增大導致了位錯運動速率增加，并使許多位錯源同時起作用，增加位錯密度和滑移系數目，導致滑移方向差異化程度增強，材料塑性變形減弱。由此可見，高溫度變化率的影響具有雙重性:一方面會使滑移線密度增加，促進材料塑性形變；另一方面則會使滑移方向增多，阻礙材料塑性形變。隨著溫差的升高，這種阻礙作用隨之增強，因此造成了接觸電阻的凈增量無明顯增加，且在高溫差下反而有所降低的現象。

4 結論

本文對電連接器進行的熱疲勞試驗結果表明:

1）試品的接觸電阻值隨溫度循環次數的增加而緩慢增長；其宏觀原因是插孔收口處孔徑增加，接觸件間接觸力減小。

圖9 試品接觸件金相組織樣圖Fig.9 Metallograph of Contacts

2）循環應力中溫差或溫度變化率的增加，都會加速連接器接觸電阻增長；且當溫差較小時，溫度變化率的加速效果比較明顯。

3）溫度循環條件下，連接器插孔中微觀組織結構的變化，即插孔中的α相晶粒尺寸和滑移線密度的增加，是引發其綜合力學性能下降，出現應力松弛現象，從而導致接觸可靠性和性能逐步蛻化的根本原因。

圖10 不同應力水平下插孔的滑移組織Fig.10 Slip of jack at different stress levels

4）溫度變化率的增加具有雙重作用:滑移線密度增加，促進塑性變形，加速連接器性能蛻化進程；滑移方向差異化程度增強，一定程度上阻礙塑性變形。

因此，溫差范圍與溫度變化率對電連接器性能蛻化的綜合作用效果取決于滑移線密度與滑移方向差異化程度的“對抗”結果。本文熱疲勞試驗方案中，溫度變化率的選擇有待于進一步研究，并且溫差范圍和溫度變化率對應力松弛微觀組織演變影響的量化規律也有待于深入探索。

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Research on Thermal Fatigue Failure Mechanism of Aviation Electrical Connectors

LUO Yan-yan1，LIU Xu-yang1，HAO Jie1，WANG Zhen2，LIU Lei3，LIN Xiao-ming2
（1.Province-Ministry Joint Key Laboratory of Electromagnetic Field and Electrical Apparatus Reliability，School of Electrical Engineering，Hebei University of Technology，Tianjin 300130，China；2.Beijing Aerospace Wanyuan Science&Technology Corporation，Beijing 100176，China；3.Chengnan District Power Supply Subsidiary，Tianjin Electric Power Company，State Grid Corporation of China，Tianjin 300201，China）

Jack of electrical connectors is an elastic element.It is easy to show thermal fatigue and stress relaxation phenomenon under the effect of alternating thermal stress，which affects the contact reliability of electrical connectors.A thermal fatigue test scheme is proposed，and a test circuit is designed for experiment.The thermal fatigue failure mechanism of electrical connectors is analyzed.The test result shows that the value of contact resistance increases slowly with the increase in the number of thermal cycles.The macroscopic reason is that the aperture of jack increases and the contact pressure between con-tacts decreases.During test，the temperature difference or temperature change rate will accelerate the growth of contact resistance.Based on the metallographic analysis of jack after experiment，it is found that the change of microstructure（the crystal size and slip line density increase，the difference of slip direction is enhanced）is the fundamental reason to lead to the stress relaxation phenomenon of jacks and the contact reliability degradation of electrical connectors.The comprehensive effect of the temperature difference and temperature change rate on the performance degradation of electrical connectors depends on the“confrontation”between slip line density and slip direction number.

aerocraft instrument and equipment；aviation electrical connector；thermal fatigue；stress relaxation；metallographic analysis；failure mechanism；performance degradation

TM503+.5；TB114.3

A

1000-1093（2016）07-1266-09

10.3969/j.issn.1000-1093.2016.07.015

2016-01-06

國家自然科學基金項目（51107028、51171056）；河北省高等學校創新團隊領軍人才培育計劃項目（LJRC003）

駱燕燕（1971—），女，教授，博士生導師。E-mail:luoyy@hebut.edu.cn；

劉旭陽（1991—），男，碩士研究生。E-mail:liuxuyang9691@163.com