流體連接器是實現(xiàn)流體介質傳輸管路接通或斷開的連接器[1],適用于各種采用液體冷卻方式的機箱、功率模塊等之間的連接。流體連接器應用于電子設備液冷系統(tǒng)中,其重要性體現(xiàn)為[2-3]:(1)若流體連接器密封性能差,冷卻液體泄漏會腐蝕附近的部件,或污染系統(tǒng)環(huán)境,造成絕緣,耐電壓性能下降,嚴重時會引起電路系統(tǒng)短路或開路故障；(2)若流體連接器損壞,液冷系統(tǒng)流通不暢,流量會降低,影響冷卻效果,嚴重時會因溫升太高而燒壞系統(tǒng)設備。 

液冷系統(tǒng)在首次注液試運行時發(fā)現(xiàn)漏液,原因為流體連接器插頭殼體開裂(見圖1)。該連接器材質為7A09-T6高強鋁合金,抗拉強度≥530 MPa,硬度(陽極氧化前)≥175 HV,表面硬質陽極氧化膜厚度≥40 μm,螺紋安裝力矩30 N·m。筆者通過裂紋宏觀和微觀形貌觀察、能譜檢測及理論計算,對流體連接器開裂樣品進行剖析,找出裂紋形成原因,并給出解決措施。 

圖  1  流體連接器殼體開裂現(xiàn)象

Figure  1.  Cracking phenomenon of fluid connector

1.   理化檢驗及結果

1.1   宏觀形貌觀察

采用SMZ1000型體視顯微鏡觀察殼體裂紋的宏觀形貌。如圖2所示：流體連接器表面光亮,未見明顯的蝕坑和加工缺陷；裂紋位于殼體螺紋端,從口部萌生,沿軸向往根部擴展。采用機械方式將裂紋撐開,觀察斷口宏觀形貌。由圖3可見：A、B區(qū)呈黃黑色條帶狀,而C、D區(qū)呈現(xiàn)金屬光澤,但C區(qū)可見明顯的條帶特征,且條帶連續(xù)。由此可判斷,C區(qū)成因與A、B區(qū)相似；D區(qū)可見類似韌窩的孔穴狀斷面,結合其顏色,可判定為外力導致的韌性斷裂。綜上所述,A、B區(qū)為先發(fā)生斷裂的位置,進一步說明裂紋從殼體螺紋端口部向根部擴展,并貫穿壁厚。 

圖  2  流體連接器表面裂紋的宏觀形貌

Figure  2.  Macro-morphology of surface crack of fluid connector

圖  3  流體連接器表面裂紋斷口的宏觀形貌

Figure  3.  Macro-morphology of surface crack fracture of fluid connector: (a) overall fracture; (b) area A and B; (c) area B and C; (d) area C and D

1.2   裂紋斷口微觀形貌

采用機械方式將裂紋打開,經(jīng)酒精超聲清洗斷口后,通過S-4300型掃描電鏡(SEM)和Jenesis-60型能譜儀(EDS)進行裂紋斷口形貌觀察和局部區(qū)域的成分分析。如圖4所示：整個裂紋斷口呈現(xiàn)脆性斷裂和腐蝕特征；A、B區(qū)域微觀形貌均發(fā)黑,并可見亮白色的異物,其中C和O元素含量很高,結合連接器安裝過程中使用的密封膠成分,此異物應為壓力作用下滲入斷口的密封膠；未見異物的區(qū)域,具有明顯條帶特征,條帶上可見細小的冰糖狀沿晶形貌,該區(qū)域輪廓模糊,表明整個區(qū)域存在腐蝕,開裂經(jīng)歷了一定的時間；斷口上存在一定含量的P和S元素,同時B區(qū)域有薄薄的覆蓋層,高倍下呈龜裂形貌,C元素含量低、O元素含量高,應是腐蝕產(chǎn)物；C區(qū)可見較淺凹坑,凹坑邊界圓滑,高倍下可見凹坑里的腐蝕形貌；D區(qū)是瞬斷區(qū),呈現(xiàn)韌窩和沿晶并存的形貌,未見P、S元素,C、O元素含量也很低。由此說明A、B、C區(qū)的P、S元素是由外部引入的。如圖5所示,陽極氧化膜中還存在較高含量的S元素和少量的P元素,而7A09-T6高鋁合金本身不含S元素。 

圖  4  流體連接器裂紋斷口的SEM形貌

Figure  4.  SEM morphology of crack fracture of fluid connector: (a) area A; (b) area B; (c) area C, low magnification; (d) area C, high magnification; (e) area D, low magnification; (f) area D, high magnification

圖  5  開裂流體連接器表面陽極氧化膜的EDS分析結果

Figure  5.  EDS analysis results of anodic oxide film on the surface of cracked fluid connector

1.3   金相檢驗

將開裂的殼體固封、研磨與拋光,采用凱勒試劑進行刻蝕,制作金相試樣,在LV500型金相顯微鏡下觀察殼體的顯微組織和裂紋。 

由圖6可見：流體連接器開裂殼體的組織為細小晶粒,且晶粒內(nèi)部可見較多亞晶粒,是未完全再結晶的組織；晶界上分布著黑色點狀第二相(Al2CuMg、CuAl2、Al7Cu2Fe等)；橫截面上的裂紋沿著晶界或亞晶界擴展。開裂位置附近還可見小裂紋,小裂紋從外螺紋表面萌生,沿晶界擴展；在其他位置還發(fā)現(xiàn)長度較大(約450 μm)的內(nèi)部裂紋,裂紋內(nèi)部存在褶皺,C、O元素含量較高。 

圖  6  開裂流體連接器橫截面的顯微組織

Figure  6.  Microstructure of cross section of cracked fluid connector: (a) cracking position; (b) near the outer surface; (c) near the cracking position; (d) inside the shell

2.   開裂原因分析

形貌觀察結果顯示,裂紋斷口呈現(xiàn)龜裂、泥狀的腐蝕形貌,開裂位置呈冰糖狀沿晶形貌,金相檢驗結果也顯示多條沿晶裂紋。可以認為,連接器的失效模式為應力腐蝕開裂。應力腐蝕開裂是在拉應力和腐蝕環(huán)境共同作用下所引起的一種低應力腐蝕性斷裂,需具備3個條件：材料具有應力腐蝕敏感性；存在一定的腐蝕環(huán)境；應力源(包括裝配應力和自身殘余應力等)。 

2.1   材料的應力腐蝕敏感性

有關研究表明,添加Zn、Mg、Cu、Li等元素將純鋁合金化制成高強鋁合金后,盡管其強度及硬度得以提高,但應力腐蝕敏感性也增大[4]。7A09-T6高鋁合金屬于Al-Zn-Mg-Cu系合金,由于其本身成分及組織的特點,其應力腐蝕傾向超過其他合金,尤以人工時效狀態(tài)(T6)最為顯著[5-7]。T6時效處理的7系鋁合金雖然強度可達到最大,但抗應力腐蝕性卻達到最低[8]。對T6和T74(固溶熱處理后經(jīng)過時效)處理的7B04鋁合金35 mm厚板的耐應力腐蝕性能研究表明[9],T6狀態(tài)7B04鋁合金的臨界應力腐蝕強度因子(KISCC)為120 MPa,而T74狀態(tài)7B04鋁合金的KISCC為300 MPa,約是T6狀態(tài)的2.5倍,且應力腐蝕裂紋擴展速率也明顯降低。因此,流體連接器殼體設計采用7A09-T6高強鋁合金,不可避免地引入了由材料自身帶來的應力腐蝕開裂風險。 

此外,殼體表面硬質陽極氧化膜層與基體鋁合金為異種材料,力學性能尤其是硬度存在較大差異,殼體陽極氧化前硬度要求≥175 HV,氧化膜顯微硬度≥300 HV[10]。在外力作用下,膜層與基體材料的變形不能同步協(xié)調進行,這將導致膜層表面產(chǎn)生微觀裂紋。微裂紋尖端應力集中,擴展時首先導致膜層開裂,而后到達鋁合金基體界面處,使基體暴露在腐蝕環(huán)境中。在有水分的情況下,在陽極氧化后殘留的和應力的共同作用下,形成自腐蝕電池,根據(jù)陽極溶解理論[11],相對于膜破損的表面,膜未破損的表面作為陽極,金屬原子溶解成為離子,形成溝形裂紋。當裂紋向深處發(fā)展時,應力集中于裂紋尖端,使附近區(qū)域發(fā)生塑性變形,阻礙膜的再生,加快陽極溶解。在應力作用下,裂紋繼續(xù)發(fā)展,最終導致金屬開裂。 

2.2   腐蝕環(huán)境

EDS結果顯示,氧化腐蝕區(qū)域檢測出含量較高的S元素(3.52%),硬質陽極氧化膜表面檢測出較高含量的S元素(8.08%),而7A09-T6高鋁合金本身不含S元素。考慮流體連接器殼體采用了硫酸硬質陽極氧化表面處理工藝,可能是陽極氧化工藝中所用硫酸溶液殘留引入的。此外,城市工業(yè)大氣中SO2對鋁合金應力腐蝕開裂的影響最大[12-13]。大氣中的硫化物(SO2,SO3等)也是引起鋁合金發(fā)生腐蝕的主要污染物之一。已有試驗證明,SO2對鋁合金腐蝕起到加速作用[14],SO2溶解于金屬表面液膜后,使液膜內(nèi)腐蝕介質酸性增加,合金氧化膜被腐蝕破壞,進一步發(fā)生陽極溶解反應,基體溶解。 

環(huán)境溫度和相對濕度也是影響高強鋁合金應力腐蝕敏感性的外在因素[12,15-16]。對于鋁合金,潮濕大氣也是典型的應力腐蝕介質[5,17]。在環(huán)境相對濕度一定的情況下,溫度越高合金越容易發(fā)生應力腐蝕開裂。結合流體連接器的使用環(huán)境,不能排除環(huán)境溫度和相對濕度的影響。 

2.3   應力源

流體連接器安裝時殼體摩擦力矩如圖7所示。連接器安裝時擰緊力矩T(30 N·m)需要克服4個接觸面的摩擦力矩[18]：連接螺母和流體連接器插頭殼體螺紋之間的螺紋力矩T1；球頭和插頭殼體密封錐面(60°)之間的接觸面摩擦力矩T2；卡環(huán)與球頭接觸面的摩擦力矩T3；卡環(huán)與連接螺母接觸面的摩擦力矩T4。其關系滿足式(1)。 

圖  7  流體連接器安裝摩擦力矩

Figure  7.  Friction moment of fluid connector in installation

螺紋連接是在內(nèi)外螺紋的接觸面和螺紋緊固件支撐面與被連接件的接觸面之間產(chǎn)生摩擦力[19]。螺紋連接時,螺旋副上的螺紋力矩M1[20],見式(2)。 

式中：Q為作用于螺栓的軸向預緊力；d為螺紋中徑(10.8 mm)；γ為螺紋升角(1.615°)；φ為螺紋副的當量摩擦角(7.4°)。 

擰緊螺紋緊固后,由螺母或螺栓頭部支撐面與被連接件接觸面摩擦產(chǎn)生的力矩M2[19-21],見式(3)。 

式中：D為螺母或螺栓頭部支撐面等效直徑；μ為螺母或螺栓頭部支撐面與被連接件接觸面摩擦因數(shù)。 

連接螺母和流體連接器插頭殼體螺紋之間的螺紋力矩T1,見式(4)。 

式中：Qp為球頭在插頭殼體錐面上的軸向作用力。 

球頭和插頭殼體密封錐面(60°)之間的接觸面摩擦力矩T2,見式(5)。 

式中：uw為球頭和插頭殼體密封錐面摩擦因數(shù),取0.17；d1為球頭-錐面密封接觸等效直徑,取12.5 mm； 

同理,卡環(huán)與球頭接觸面的摩擦力矩T3,見式(6)。 

式中：uv為卡環(huán)與球頭接觸面的摩擦因數(shù),取0.15；d2為球頭與卡環(huán)接觸等效直徑,取14.7 mm。 

同理,卡環(huán)與連接螺母接觸面的摩擦力矩T4,見式(7)。 

式中：uz為卡環(huán)與連接螺母接觸面的摩擦因數(shù),取0.17；d3為連接螺母與卡環(huán)接觸等效直徑,取15.4 mm。 

最后,將式(4)~(7)帶入式(1),得出式(8)。 

經(jīng)計算,Qp=5 563.7 N,作用在插頭殼體接觸面上的法向力Qf=Qpsin 30°=2 780 N。 

測量安裝時殼體錐面的接觸痕跡(圖1)寬度為1.05 mm,受力面等效直徑為12.5 mm,則受壓面積S=1.05×10-3×π×12.5×10-3=4.12×10-5 m2。 

殼體接觸面上產(chǎn)生的拉應力σ=Qf/S=67.5 MPa。 

通過裂紋形貌觀察和理論分析,7A09-T6高強鋁合金流體連接器具備了應力腐蝕開裂的形成條件,即7A09-T6高強鋁合金為應力腐蝕敏感材料,硬質陽極氧化工藝引入了腐蝕介質S元素,在潮濕環(huán)境和安裝產(chǎn)生的拉應力作用下,材料發(fā)生應力腐蝕開裂。 

對于本工作中的流體連接器,鑒于其裝機接口和使用條件已定,目前可針對材料和應力條件采取改進措施。流體連接器的服役工況對零件強度要求并不高,但材料強度與耐應力腐蝕性能往往是相互矛盾的,可以適當降低對殼體材料的強度要求,一方面可以重新指定材料的熱處理工藝,由T6處理轉變?yōu)門651或T76、T74處理；另一方面,可將材料更換為強度相對較低的6系鋁合金,或者同時更換材料和改變熱處理狀態(tài)。此外,在不影響流體連接器接觸密封的前提下,盡量降低短橫向上的力矩,改善應力和腐蝕環(huán)境。 

3.   結論

(1)流體連接器殼體所使用的7A09-T6高強鋁合金為應力腐蝕敏感材料,且硬質陽極氧化表面處理工藝引入了腐蝕介質S元素,在潮濕環(huán)境和安裝產(chǎn)生的拉應力作用下,殼體發(fā)生了應力腐蝕開裂。 

(2)應力腐蝕裂紋宏觀上呈現(xiàn)從殼體口部萌生,沿軸向往根部擴展,并貫穿壁厚方向；微觀上表現(xiàn)為沿晶界擴展。 

(3)可采取以下解決措施,將其材質更換為應力腐蝕開裂敏感性較弱的6系鋁合金；改變材料熱處理狀態(tài),由T6狀態(tài)轉變?yōu)門651或T76、T74狀態(tài)；使用時盡量改善應力和腐蝕環(huán)境。

文章來源——材料與測試網(wǎng)