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PWBA组装螺丝断裂分析
录入时间:2018/6/12 14:52:54
【摘要】本文采用断口分析和金相分析技术,主要以三个比较典型的电子产品上螺丝断裂案例为分析对象,研究其失效原因及失效机理。分析结果表明三个失效案件的断裂原因均不同:S1螺丝锁附时倾斜导致局部位置应力过大而发生断裂; S2螺丝金相组织呈现铁素体加珠光体带状组织,导致其塑韧性变差,发生脆性解理断裂; S3螺丝则为氢脆导致断裂。在生产组装过程中,螺丝锁附要严格按照标准作业流程进行,要严格管控螺丝生产加工工艺并选用性能匹配的零件,可有效降低螺丝断裂失效机率,具有重要的现实意义。 
【关键词】 PWBA、螺丝、断裂、断口、金相、氢脆
作者: 刘燕芳、潘启智 中达电子(江苏)有限公司失效分析实验室
作者简介:刘燕芳(女,1984- ),硕士,主要从事电子元件、金属件及PWBA失效分析。
1. 引言
    电子产品上经常会使用一些金属件,包括金属元件,散热片及紧固件等,如连接器采取螺丝连接线材,功率器件也通过螺丝与散热片完成连接。图1为组装在PWB上的连接器,后续在客户端采取螺丝连接端子线材,而螺丝断裂则会导致功能不良,影响产品的正常使用。螺丝断裂的可能原因有很多,如螺丝原材料存在缺陷,组装使用过程中操作不当或组装结构设计不合理等。   
    本文主要以三个比较典型的电子产品上螺丝断裂案例为分析对象,研究其失效原因及失效机理,并提出相应的改善措施,以预防后续生产中相关失效的重复发生,具有非常积极的现实意义。 
                                              图1 PWBA上连接器
2. 分析内容
    三个失效样品分别编号为S1, S2以及S3。先采用实体显微镜对样品断面进行外观观察,再采用SEM (扫描电子显微镜Scanning Electron Microscope)进行断口形貌分析, 最后再进行金相组织分析。
2.1外观观察    
    先用实体显微镜对螺絲断裂位置进行外观观察,观察结果如图2所示。S1断面外观有明显变形现象,无光亮结晶状,为塑性断裂特征。S2断面外观无明显变形,光亮且平整,为脆性断裂特征。S3亦无明显变形,断面宏观形貌呈结晶状形貌,晶粒较为粗大,为脆性断裂特征。

                                             图2 螺丝断口外观图片

2.2 SEM分析    
    采用扫描电子显微镜观察失效样品断口形貌,各微观形貌特征如图3所示。S1样品断面呈剪切韧窝特征,发生塑性断裂。S2样品断面呈台阶状,发生解理断裂,属脆性断裂。S3螺丝断面可以看到晶粒晶界和多面体的形貌,类似于冰糖块的堆积,属于沿晶断裂形貌,在高倍下發現晶面上有微孔和延展毛裂,属于典型氢脆断裂特征。   
                                              图3 SEM断口分析
2.3 金相分析  
图4为S1金相分析结果,螺丝、螺母上的螺芽未咬合,局部甚至出现了两螺芽相对的现象。如图红色箭头所示,螺丝、螺母上的螺芽都有断裂,此应为螺丝锁附时倾斜所致。如图d所示,螺丝金相组织为正常奥氏体组织。 
                                                 图4 S1金相分析 
图5为S2金相分析结果,如图b&d所示,不良品及原材的金相组织无明显差异,结构均存在铁素体加珠光体带状组织。带状组织属于一种组织缺陷,组织呈条带状分布,影响材料性能。材料在轧制后冷却较慢时铁素体组织形成条带,铁素体条带之间为珠光体条状组织,两相交替分布,有明显的方向性即形成各向异性,影响材料性能,降低材料的塑性和韧性。

                                               图5 S2金相分析

3 综合讨论
    S1样品金相组织为正常奥氏体组织,断面呈韧窝特征,韧窝的形成机理为空洞聚集,即显微空洞生核,长大,集聚直至断裂[1]。当受到剪切应力时,呈现拉伸韧窝特征;当受到剪切应力时,呈现剪切韧窝特征。断面呈现韧窝特征,说明材料具有一定的塑性。螺丝锁附倾斜导致局部位置应力过大,发生塑性形变,当应力值达到其强度极限时,发生断裂最终断裂。在生产组装过程中,螺丝锁附要严格按照标准作业流程进行,防止出现因螺丝倾斜或扭力过大导致螺丝发生塑性断裂失效。 
S2样品金相组织为铁素体加珠光体,然而其呈现带状特征,非带状正常组织如图6所示。由于铁素体和珠光体的塑韧性本身存在差异,带状组织就会导致材料的塑韧性变差。螺丝在正常锁附过程中因塑韧性变差,发生脆性解理断裂,解理断裂沿着一定结晶面发生,断口微观形貌通常出现台阶状,河流状特征。控制带状组织的产生,关键在于凝固过程中要尽量减少成分不均匀导致的枝晶偏析及后续轧制过程中要控制成分和组织的进一步偏析[2]。采用热处理扩散退火工艺可减少或消除带状组织,防止出现类似断裂不良现象。
                             
                                    图6 非带状正常组织,1000X
S3样品断面分析结果显示氢脆断裂。该样品锁附后经几个小时后发生断裂,为延迟断裂,断裂特征与过载锁断特征明显不铜,过载锁断在锁附过程中发生,螺丝正常过载扭断的断口如图7所示,正常过载扭断显示轫窝特征。氢脆断裂原因主要包括材料强度偏高和氢含量较高,同时材料强度越高,氢脆敏感性越高。材料的强度越高,内应力越大,越容易吸氢,而除氢会越困难[3]。减少氢脆发生的有效措施是电镀之后进行除氢处理,不同产品应制定合理的除氢工艺。该案件样品断裂的主要原因为螺丝强度高导致氢脆,该螺丝等级为12.9级,螺丝强度越高越容易发生氢脆,而实际上该产品组装并不需要高等级的螺丝,10.9级即可满足组装使用强度需求。在后续生产中,使用10.9级螺丝更换原来螺丝, 未再发生氢脆不良现象。
                                         图7 样品过载锁断断口形貌
4. 结束语    
    本文主要运用断口分析和金相分析技术对三个失效案件进行失效分析,分析结果表明三个失效件的失效原因不同: S1螺丝锁附时倾斜导致局部位置应力过大,发生塑性形变,当应力值达到强度极限时,发生断裂; S2螺丝金相组织呈现铁素体加珠光体带状组织,导致其塑韧性变差,发生脆性解理断裂; S3螺丝为氢脆导致断裂,该螺丝等级高,螺丝强度越高越容易发生氢脆。 
    在生产组装过程中,螺丝锁附要严格按照标准作业流程进行,防止出现因螺丝倾斜或扭力过大导致螺丝塑性断裂失效。要严格管控螺丝生产工艺,在产品组装中应选用性能匹配的螺丝,可有效降低断裂失效机率,具有重要的现实意义。
5. 参考文献          
[1] 钟群鹏, 赵子华, 断口学[M], 北京:高等教育出版社,2006. 
[2] 刘富军, 刘年富, 廖卫团, 带状组织对低碳微合金钢性能的影响及控制[J], 南方金属, 2011(1) : 7-10.
[3] 刘德林,胡小春,何玉怀等,从失效案例探讨钢制紧固件的氢脆问题[J], 材料工程,2011 (10) : 78-83.

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