摘要：從連接器的重要基礎(chǔ)材料之一銅及銅合金帶組織性能出發(fā)，分析了該性能與連接器耐久性的相關(guān)性。銅及銅合金帶的織構(gòu)組織和晶粒尺寸與連接器耐久性能直接相關(guān)。

耐久性是連接器可靠性的一個重要參數(shù)。對于如何測試連接器的耐久性，國內(nèi)外都制定了相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)，如國外的EIA-364-09C和國內(nèi)GB/T5095—1997（等效于IEC512—1993）。由于耐久性測試屬于破壞性試驗(yàn)，需要較多的時間和成本，電子元件廠或成品廠在產(chǎn)品的型式試驗(yàn)、驗(yàn)證階段使用該測試方法。為了保證連接器的耐久性，連接器行業(yè)設(shè)計者多采用***大應(yīng)力方法或名義應(yīng)力法設(shè)計連接器的結(jié)構(gòu)。即通過有限元等設(shè)計方法保證在使用過程中的***大應(yīng)力或名義應(yīng)力小于材料的屈服強(qiáng)度，并根據(jù)應(yīng)力-壽命曲線（S-N曲線）計算連接器的耐久性。雖然***大應(yīng)力方法或名義應(yīng)力法在理論上解決了連接器的耐久性的計算問題，但在實(shí)際連接器的使用中，卻常常出現(xiàn)連接器的耐久性與理論數(shù)據(jù)不一致的現(xiàn)象，給使用者帶來了不必要的損失。如何解決這個品質(zhì)隱患，是連接器制造廠商及使用者需要共同面對的問題。

國內(nèi)外學(xué)者從連接器設(shè)計選材參數(shù)、正向力或插拔力、電鍍材料、表面粗糙度、潤滑條件等方面出發(fā)，對提高連接器耐久性做了大量研究。銅及銅合金帶是連接器***重要的基礎(chǔ)材料之一，但對銅及銅合金帶的本身性能與連接器的耐久性相關(guān)性研究較少。

1 連接器端子結(jié)構(gòu)

連接器的端子一般具有需求量大、超薄、形狀復(fù)雜、精度高等特點(diǎn)，通常采用連續(xù)模料帶的形式在高速精密沖床上沖壓制成。端子一般由頭部彎曲結(jié)構(gòu)和細(xì)長懸臂結(jié)構(gòu)組成，如圖1所示。

為了提高生產(chǎn)效率和節(jié)省成本，經(jīng)過高速沖壓和電鍍后，在連接器裝配工序，生產(chǎn)者才將端子從料帶上裁切下來進(jìn)行組裝。

2 銅及銅合金帶組織及特性
經(jīng)過多年的銅合金帶制造的發(fā)展，連接器用銅及銅合金帶主要制造方法可以簡述為：半連續(xù)鑄造或連續(xù)鑄造、銑毛坯面、多次軋制（包括多次熱處理）、精整、表面處理等生產(chǎn)工序。由于銅及銅合金帶的軋制加工過程是沿著軋制方向的單向軋制，隨著軋制變形程度的增大，銅及銅合金帶的晶體逐漸形成軋制織構(gòu)。再加上軋制后熱處理的不同和熱處理前軋制變形程度的不同，銅及銅合金帶的晶體會出現(xiàn)不同的再結(jié)晶織構(gòu)。
織構(gòu)會給銅及銅合金帶不同方向的物理及力學(xué)性能帶來不一致現(xiàn)象，即各向異性。如在國內(nèi)外研究和實(shí)踐證明，銅及銅合金帶材縱向彎曲方向（Good?Way）和橫向彎曲方向（Bad?Way）的彎曲性能存在較大差異，一般情況下，銅及銅合金帶材縱向性能好于橫向性能。銅及銅合金帶的橫向彎曲方向（Bad?Way）和縱向彎曲方向（Good Way）定義見圖2。

在國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)YS/T 1041—2015《汽車端子連接器用銅及銅合金帶》和GB/T 26007—2010《彈性元件和接插件用銅帶》，及其美國ASTM B888/888M-13《電連接器或彈簧觸點(diǎn)生產(chǎn)用銅合金帶材的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范》都明確定義了銅及銅合金帶材的縱向、橫向彎曲參數(shù)的不同。銅及銅合金帶在彎曲變形時，外側(cè)表面發(fā)生類似拉伸試驗(yàn)的變形。彎曲過程中外側(cè)表面層拉伸不斷增加，逐漸產(chǎn)生彈性變形、塑性變形直至開裂。銅及銅合金帶材的縱向彎曲性能優(yōu)于橫向彎曲性能，也表明銅及銅合金帶材的縱向抗拉強(qiáng)度或屈服強(qiáng)度優(yōu)于橫向方向，并得到大量的試驗(yàn)證明。

3 相關(guān)性研究

3.1橫向方向的屈服強(qiáng)度

由于國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 26007—2010和YS/T 1041—2015等規(guī)定的銅及銅合金帶的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度都是縱向方向的參數(shù)。連接器設(shè)計者在設(shè)計連接器壽命時，都以縱向方向的參數(shù)為依據(jù)。由于成本等壓力，連接器的端子普遍采用點(diǎn)鍍金等貴金屬的電鍍方式，連接器端子大多數(shù)分布在橫向方向（圖1）。即在連接器耐久性的設(shè)計參數(shù)與實(shí)際參數(shù)存在不一致現(xiàn)象。而沖壓工廠或連接器工廠收到的銅及銅合金帶時，已經(jīng)不易測試出橫向方向的具體強(qiáng)度。多數(shù)工廠使用維氏硬度來復(fù)核來料的強(qiáng)度性能，這種方法存在較大誤差，也不能區(qū)別縱向和橫向參數(shù)差異。這是部分連接器實(shí)際機(jī)械壽命小于設(shè)計壽命的原因之一。在銅帶分條前，銅帶工廠可以較方便地測試出銅及銅合金帶的橫向方向的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、延伸率等參數(shù)。為了保證連接器的耐久性，連接器工廠需要銅帶廠提供銅及銅合金帶的縱向和橫向機(jī)械強(qiáng)度參數(shù)。3.2 彎曲性能R/T值銅及銅合金帶的彎曲性能R/T值直接影響連接器端子的成型能力。在美國標(biāo)準(zhǔn)ASTM B820《測定銅及銅合金帶材可成形性的彎曲試驗(yàn)的試驗(yàn)方法》和國內(nèi)YS/T 1041—2015《汽車端子連接器用銅及銅合金帶》都要求縱向彎曲和橫向彎曲方向取樣測試。只是美國標(biāo)準(zhǔn)要求采用了彎曲試驗(yàn)后使用30X放大儀器觀察，試樣彎曲外表面無可見裂紋的判定方法。而國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)要求使用肉眼觀察試樣彎曲外表面無可見裂紋。理論上分析，按照國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)檢驗(yàn)的銅及銅合金帶的彎曲性能比依照美國標(biāo)準(zhǔn)檢驗(yàn)的銅及銅合金帶差。由此材料制造的連接器耐久性也比依照美國標(biāo)準(zhǔn)檢驗(yàn)的銅及銅合金基材的連接器差。為了提高連接器的耐久性，連接器工廠及銅帶制造廠應(yīng)使用更嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)檢查銅及銅合金的彎曲性能R/T值。3.3 晶粒大小與均勻性現(xiàn)階段，細(xì)化晶粒（包括晶粒均勻性）是銅帶廠一種常用的提高銅及銅合金帶力學(xué)性能的手段。隨著超細(xì)晶和納米晶粒的研究和實(shí)驗(yàn)，在一定范圍內(nèi)晶粒尺寸可以作為主導(dǎo)因素作用于銅及銅合金帶的力學(xué)性能；在該范圍外，作用銅及銅合金帶的力學(xué)性能的主導(dǎo)因素將發(fā)生改變，霍爾-佩奇（Hall-Petch）公式將不再有效，即出現(xiàn)反霍爾-佩奇現(xiàn)象。在納米晶粒研究中，晶粒尺寸分布也會很大程度上影響銅及銅合金帶的力學(xué)性能，研究者發(fā)現(xiàn)雙模晶粒分布的銅及銅合金材料具有很好的拉伸韌性，同時還保持原高于其他細(xì)晶粒材料的強(qiáng)度。在銅及銅合金帶的大批量工業(yè)生產(chǎn)中，適用霍爾-佩奇（Hall-Petch）公式還占主導(dǎo)地位。國內(nèi)的工業(yè)化銅及銅合金帶的細(xì)晶粒尺寸控制在10μm左右，個別銅帶可以控制細(xì)晶粒尺寸在5μm左右。德國、日本等國家使用累積疊軋（同步疊軋制）等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了超細(xì)晶粒銅帶的工業(yè)化生產(chǎn)，其高端工業(yè)化銅及銅合金帶的細(xì)晶粒尺寸已經(jīng)控制在1~5μm。在連接器實(shí)際使用過程中，晶粒尺寸小和均勻性好的銅及銅合金帶具有更好的力學(xué)性能，由其制造的連接器的耐久性也更好。

4 結(jié)論
1）由于銅及銅合金帶制造的各向異性，軋制方向（縱向）的屈服強(qiáng)度好于垂直軋制方向（橫向），連接器設(shè)計者在設(shè)計連接器時，應(yīng)以垂直軋制方向的屈服強(qiáng)度為設(shè)計依據(jù)。
2）連接器用銅帶制造廠應(yīng)根據(jù)連接器端子的制造特點(diǎn)和連接器使用特點(diǎn)，在軋制方向（縱向）的機(jī)械性能基礎(chǔ)上，提供并保證垂直軋制（橫向）屈服強(qiáng)度。3）在銅及銅合金帶彎曲性能測試嚴(yán)苛性和適用性上，ASTM?B820-14a高于我國現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)。使用更嚴(yán)苛標(biāo)準(zhǔn)測試的銅及銅合金帶的產(chǎn)品的耐久性和機(jī)械壽命也越高。4）在霍爾-佩奇（Hall-Petch）公式適用的范圍內(nèi)，擁有更小的晶粒尺寸的銅及銅合金帶可以增加連接器的耐久性。

來源：《汽車電器》雜志2018年第2期  作者：張鑫

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