硬同轴线接插头断裂失效分析

宋为民 杨靖辉 朱绍峰

【摘要】本文通过对硬同轴线接插头断裂样品分析，分别检验了样品的化学成分、硬度和金相组织，采用扫描电子显微镜观察了断口的微观形貌。结果表明，使用过程中断裂的样品是由于工作环境温度高导致第二相和晶体长大，材料强度下降而产生的断裂;产品装机试验时断裂的样品是由于固溶处理过热而产生的脆性断裂。通过分析，提出了接插头质量控制和使用环境控制的措施。

【关键词】硬同轴线;接插头;断裂分析

引言

同轴线属于TEM波（横向电磁波）传输线，是一种由内、外导体构成的双导体传输线。因具有频带宽，损耗低，尺寸小，与微带电路连接方便等特点，广泛应用于功率传输系统中。同轴线按结构型式可分为软同轴线和硬同轴线。硬同轴线的外导体是金属管，内导体一般为金属管或实心的导体，用铍青铜QBe2制作。内、外导体间的介质是空气，内、外导体用介质材料实现支撑[1]。同轴线连接接头分为接插头和平接头。插接头指，内导体一个做成插芯，另一个做成插孔，通过插芯和插孔连接。外导体则通过螺纹或卡口连接[2]。硬同轴线系统在空间布局受制约，传输功率较大时，对接插头连接要求较高，如接触电阻要小，无泄漏功率，无尖角等。大功率传输中插接头连接易产生打火、插头断裂等形式而失效。本文对运行过程中及装配过程中发生的接插头断裂现象进行了分析，提出了零件质量控制措施。

1.断裂现象

图1 使用过程断裂失效样品    图2 装配过程失效样品

（样品1）                       （样品2）

硬同轴线接插头断裂有产品使用过程中断裂（样品1）和在产品装机试验时断裂（样品2）两种形式。断裂均发生于插接头的根部，断口与轴心线垂直，断面无宏观塑性变形，断口表面有黑色物质覆盖。使用过程断裂失效样品（样品1）局部可以看到因电弧而留下的烧蚀痕迹。

2.断裂失效样品的理化分析

2.1 样品的硬度

对样品进行维氏硬度测试，每个样取5点测试平均值。样品1维氏硬度为265 HV0.2，样品2维氏硬度为385 HV0.2。可以看出，经使用一段时间后，硬同轴线接插头硬度数值有较大幅度的下降。

2.2 样品化学成分

对两种断裂样品化学成分分析结果（如表1所示）表明，对两种样品取样后，所测元素化学成分符合GB/T5231-2001的规定。

表1 样品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

样品1 2.05 0.24 0.10 0.12 0.12

样品2 2.10 0.31 0.11 0.10 0.10

2.3 显微组织

在平行于断口平面方向取样，用1号至4号金相砂纸逐级磨制后进行机械抛光，用腐蚀后在工学显微镜下对样品进行观察。依据GB/T 6394-2002对样品平均晶粒度进行计算。样品1显微组织为α基体上发布着γ2相，显微组织中出现异常大晶粒（图3），晶界较平直。根据GB/T 6394-2002，样品平均晶粒度约45微米。样品2显微组织为α基体上发布着γ2相，局部区域可观察到孪晶组织（图4）。晶界较直，有局部熔合现象。根据GB/T 6394-2002，样品平均晶粒度约32微米。

图3 样品1组织    400×    图4 样品2组织    400×

2.4 微观断口

采用扫描电子显微镜，分别对样品1和样品2断口进行观察。图5为样品1断口微观形貌，图5a断裂特征为韧窝+少量解理。在图5a中，除韧窝外，还可以看到晶界间的孔洞。图6为样品2断口微观形貌，6a断裂特征为沿晶+少量韧窝，6b可以观察到二次裂纹和晶界间的缺陷，说明部分晶粒之间结合状况不好。

（a）断口形貌   500×           （b）断口形貌   4000×

图5 样品1断口形貌

（a）断口形貌   1000×        （b）断口形貌    4000×

图6 样品2断口形貌

3.分析

从成分分析结果可以看出，两种失效构件均符合GB/T5231-2001对QBe2成分要求。样品1维氏硬度为265 HV0.2，样品2维氏硬度为385 HV0.2，样品1硬度明显低于样品2。QBe2是一种时效硬化型铜合金，时效温度275-340℃，经失效处理后，其硬度一般高于36～38HRC（约为360～380Hv），在300℃以下工作，力学性能良好，但在超过340℃，随着时间增加有过时效效应，造成材料材料抗拉、屈服及疲劳强度会降低，随着温度上升和时间延长性能进一步下降。样品1经过使用后硬度降低，说明该部件在340℃以上的环境下工作。

同轴线接插头在使用过程中因打火或接触不良均会导致工作温度升高。由于同轴线接插头在高功率环境工作，因此要求接触良好，通常对同轴线接插头来说，插座或插芯的内导体上均可开槽，靠接触处的径向弹力保证插芯和插孔的良好接触。但在使用过程有时会出现以下现象：

（1）绝缘不良。由于存在表面尘埃、焊剂等污染物，在受潮时，有机材料析出物及有害气体吸附膜与表面水膜溶合形成离子性导电通道，容易发生漏电、击穿等绝缘不良现象。另外，绝缘材料老化也可能造成绝缘不良。

（2）插孔松弛。插合状态产生接触正压力的簧片要有一定的变形量，若零件没有按要求加工出现收口至闭合或收口不齐，造成收口变形量小，分离力小，容易在后续使用失效，而接触不良也会促进绝缘不良现象。

由于同轴线接插头的加工插孔松弛及绝缘不良会造成打火现象，造成温度升高，使用过程产生反复高温冲击，会出现析出相进一步长大，晶粒也会长大的现象，图3中金相分析也证实了之一推断。因此，可以判断样品1是由于在使用过程中承受热冲击而导致强度下降，脆性增大，从而产生的断裂。

样品2硬度正常，晶界较直，有局部熔合现象，说明该样品在淬火处理是有轻微过热。图4中局部区域观察到孪晶组织，孪晶组织是α基体在冷变形过程中产生的。图6b中观察到二次裂纹和晶界间的缺陷，从另一个方面证实了轻微过热组织的存在。过热导致晶界局部熔合，削弱了晶界之间的结合力，降低了材料的强度，增加了材料的脆性。因此，可以认为样品2是由于过热导致的断裂失效。

4.控制措施

从上述分析可以看出铍青铜的打火断裂及试验断裂分别是环境和热处理过程中引起的。在热处理工艺控制方面，由于QBe2的热处理条件严格，为了防止零件表面氧化，必须在真空炉内进行;在热处理工艺控制方面，要求温度波动控制在±10℃范围内。

装机前进行高功率筛选，为保证接触可靠并有一定的接触压力，插芯、插孔都要进行100%的插拔力检查。装配成品后也应按技术条件进行插拔力检查。

除了上述原因引起失效，还有一些难以控制因素作用下也会造成打火，因此要设置高功率试验台，通过耐功率试验，监测温升，以进一步检验同轴线接插头的电性能，确保装机前的同轴线性能满足指标要求。

影响接触压力和表面膜层变化的主要因素有振动和温度，其中又以温度对电连接器的工作寿命影响最大，这是因为温度不仅决定了在大气环境下接触件表面膜层的生长，而且还会因插孔蠕变而影响电连器接触压力的大小[5]。绝缘件的材料老化，铍青铜的应力松弛[6]也受温度影响较大，所以硬同轴线接插头的温度控制很重要，改善散热让其在合理的温度范围内工作有利于可靠性提高。

5.结束语

对同轴线接插头断裂失效样品理化分析，确定其断裂原因分别是工作环境温度高和热处理工艺过程中固溶处理温度高通过试验总结各种失效模式和失效机理，为合理地改进设计、加强过程控制提供有效依据。

参考文献

[1]闫润卿，李英惠.微波技术基础（第二版）[M].北京：北京理工大学出版社，1997年12月.

[2]薛良金.微波技术基础（下册）[M].北京：国防工业出版社，1982年1月第一版.

[3]潘奇汉.铍铜合金性能与其元件生产[J].电子元件与材料，2004，23（2）：44-45.

[4]陈文华，程耀东，李平真，卢献彪.航天电连接器的可靠性数学模型[J].航空学报，1997，18（6）：732-734.

[5]张新明，毛新平，邓至谦，范波，周卓平，曹金荣.铍铜带材弯曲应力松弛的力学行为[J].中国有色金属学报，2001，11（6）：989-992.

作者简介：宋为民（1967—），男，研究员，主要从事雷达工艺总体研究工作。