3 相关性研究
3.1横向方向的屈服强度
由于国家标准GB/T 26007-2010和YS/T 1041-2015等规定的铜及铜合金带的抗拉强度、屈服强度都是纵向方向的参数。连接器设计者在设计连接器寿命时,都以纵向方向的参数为依据。由于成本等压力,连接器的端子普遍采用点镀金等贵金属的电镀方式,连接器端子大多数分布在横向方向(图1)。即在连接器耐久性的设计参数与实际参数存在不一致现象。而冲压工厂或连接器工厂收到的铜及铜合金带时,已经不易测试出横向方向的具体强度。多数工厂使用维氏硬度来复核来料的强度性能,这种方法存在较大误差,也不能区别纵向和横向参数差异。这是部分连接器实际机械寿命小于设计寿命的原因之一。
在铜带分条前,铜带工厂可以较方便地测试出铜及铜合金带的横向方向的抗拉强度、屈服强度、延伸率等参数。为了保证连接器的耐久性,连接器工厂需要铜带厂提供铜及铜合金带的纵向和横向机械强度参数。
3.2弯曲性能R/T值
铜及铜合金带的弯曲性能R ./T值直接影响连接器端子的成型能力。在美国标准ASTM B820《测定铜及铜合金带材可成形性的弯曲试验的试验方法》和国内YS/T 1041-2015《汽车端子连接器用铜及铜合金带》都要求纵向弯曲和横向弯曲方向取样测试。只是美国标准要求采用了弯曲试验后使用30X放大仪器观察,试样弯曲外表面无可见裂纹的判定方法。而国内标准要求使用肉眼观察试样弯曲外表面无可见裂纹。
理论上分析,按照国内标准检验的铜及铜合金带的弯曲性能比依照美国标准检验的铜及铜合金带差。由此材料制造的连接器耐久性也比依照美国标准检验的铜及铜合金基材的连接器差。为了提高连接器的耐久性,连接器工厂及铜带制造厂应使用更严格的标准检查铜及铜合金的弯曲性能R/T值。
3.3晶粒大小与均匀性
现阶段,细化晶粒(包括晶粒均匀性)是铜带厂一种常用的提高铜及铜合金带力学性能的手段。随着超细晶和纳米晶粒的研究和实验,在一定范围内晶粒尺寸可以作为主导因素作用于铜及铜合金带的力学性能;在该范围外,作用铜及铜合金带的力学性能的主导因素将发生改变,霍尔一佩奇(Hall-Petch)公式将不再有效,即出现反霍尔一佩奇现象。在纳米晶粒研究中,晶粒尺寸分布也会很大程度上影响铜及铜合金带的力学性能,研究者发现双模晶粒分布的铜及铜合金材料具有很好的拉伸韧性,同时还保持原高于其他细晶粒材料的强度。在铜及铜合金带的大批量工业生产中,适用霍尔一佩奇(Hall-Petch)公式还占主导地位。国内的工业化铜及铜合金带的细晶粒尺寸控制在10 μm左右,个别铜带可以控制细晶粒尺寸在5μm左右。德国、日本等国家使用累积叠轧(同步叠轧制)等技术,实现了超细晶粒铜带的工业化生产,其高端工业化铜及铜合金带的细晶粒尺寸已经控制在1~5 μm。在连接器实际使用过程中,晶粒尺寸小和均匀性好的铜及铜合金带具有更好的力学性能,由其制造的连接器的耐久性也更好。
4 结论
1)由于铜及铜合金带制造的各向异性,轧制方向(纵向)的屈服强度好于垂直轧制方向(横向),连接器设计者在设计连接器时,应以垂直轧制方向的屈服强度为设计依据。
2)连接器用铜带制造厂应根据连接器端子的制造特点和连接器使用特点,在轧制方向(纵向)的机械性能基础上,提供并保证垂直轧制(横向)屈服强度。
3)在铜及铜合金带弯曲性能测试严苛性和适用性上,ASTM B820-14a高于我国现行标准。使用更严苛标准测试的铜及铜合金带的产品的耐久性和机械寿命也越高。
封在霍尔一佩奇(Hall-Petch)公式适用的范围内,拥有更小的晶粒尺寸的铜及铜合金带可以增加连接器的耐久性。