氢对可伐合金断裂的影响

氢对可伐合金断裂的影响

氢的存在将改变材料的性能，但对不同材料的影响较大。通常认为面心立方奥氏体为氢脆不敏感材料,但在实际生产中经常有奥氏体材料脆断的发生。如现代电子工业中广泛用于半导体器件及集成电路等方面的可伐合金。随着电子工业的发展,外引线脆断(断腿)的现象时常发生。这种断裂隐蔽性大,导致整机可靠性下降,具有很大的危害性。哪些因素导致了外引线的脆断?氢在其脆断中起了什么作用?断裂的机理是什么?如何防止断裂的发生?这些已成为急待解决的问题。1试验材料和方法1.1试验材料1.2测试方法1.2.1面心利用金属片样的实验为了了解氢对可伐合金脆断的影响,用衡载荷法控制应力充氢进行模拟试验,测试可伐合金的氢脆断裂曲线。考虑到面心立方金属扩散系数很小,使用较薄的片样(0.2×3.3×200mm)和较大的充氢电流密度(10mA/cm2)进行实验。采用5%H2SO4(体积比)+200毫克/升As2O3的溶液作为充氢溶液,As2O3的作用是使电化学反应后产生的氢不易变成分子而以原子态进入材料内。1.2.2断裂带的外观和裂缝的性质试样断裂后,利用扫描电镜进行断口扫描分析,通过金相显微镜对裂纹的形态、走向进行观察分析。2试验结果及分析2.1试验结果2.1.1氢脆断裂带的特征曲线面心立方可伐合金在衡载荷充氢条件下断裂曲线如图1,曲线显示了氢脆延迟断裂的特征,说明可伐合金为氢脆敏感性材料。2.1.2晶体学的反应和断裂可伐合金的氢致断口可分为沿晶区、解理区、准解理区和韧窝区。断口准解理区的花样如图2。断裂有穿晶断裂,有沿晶断裂,属于混合型断口。在沿晶断口上可辨认出塑性流动的痕迹,表明有一些塑性变形发生。在穿晶断口上可以看到一些较大的平坦面,主要是通过晶体学台阶而分离的较小平面所组成,断口上有典型的舌状花样从晶界产生一些平的平行小平面通过台阶分离;在舌状花样的尾部切成台阶;在平行的小平面之间可看到析纹,平行小平面之间组成晶体学的锯齿状剖面。见图2。在断口观察中发现有些沿晶裂纹是由许多小孔洞组成的,这些小孔也见于穿晶裂纹,如图3。小孔孔壁光滑,边缘较平,为氢气泡,而与有撕裂岭的韧窝不同。2.1.3拉应力裂裂断线裂纹深、宽比相当大,前端尖细,深入到基体内部,后端宽度较大,边缘较为圆滑。裂纹沿晶向内扩展,尽管裂纹有分枝,但主裂纹的走向与拉应力相垂直。并且存在有与主裂纹面大致垂直的近于等间隔的二次裂纹。见图4、图5。2.2氢脆断口分析(1)根据可伐合金的氢脆延迟断裂曲线可知氢能够引起面心立方可伐合金延迟断裂,可伐合金为氢脆敏感性材料。实际上氢对奥氏体材料性能的影响是有许多因素决定的,如奥氏体的稳定性、材料的表面性能、氢量的多少及材料的应力场等等,不同的试验条件可能会得到不同的结果。在一般情况下,氢对稳定奥氏体组织的性能影响不大,但这并不说明奥氏体组织不发生氢脆。对于奥氏体合金氢会在沉淀相的界面被捕获,从而加速微观裂纹起裂,即陷阱氢的存在促进了微观裂纹的起裂,增加了氢脆的敏感性。氢脆的发生有一下临界应力σth。(2)可伐合金氢脆断口断裂类型有沿晶、解理、准解理和韧窝断裂,由于氢在面心立方奥氏体中的扩散系数很小充氢后试样表面和内部的氢浓度存在梯度,试样表面层氢含量高,材料变脆,造成沿晶断裂,随着氢含量的减少,断裂方式由沿晶→解理→准解理→韧窝断裂。(3)在一定的应力梯度下,氢在晶界连接处集中比在其他地方要大,因为晶界连接处局部应力大,晶界发生分离,首先是由于在连接处氢原子沉淀成氢分子产生的氢压能够提供晶界原子局部减聚所需要的附加能量,造成脆性的沿晶断裂。因此减少晶界如细化晶粒可有效地减小可伐合金氢脆的敏感性。(4)断口分析可见在氢析出的过程中所产生的台阶——滑移台阶,是由氢的析出压力促使基体变形滑移造成的。当氢沿一定结晶学平面析出,压力达到一定程度时就有一组滑移面滑移,一旦基体滑移后使裂纹内压力降低而停止裂纹的扩展。等到氢继续扩散析出时,裂纹体内的压力又增高,裂纹再一次扩展。依此类推,使氢脆裂纹逐渐扩展,直到出现与疲劳裂纹的辉纹相类似的辉纹,但氢脆的辉纹比疲劳辉纹要小一个数量级。(5)裂纹扩展的机制是在裂纹尖端的前方有二次裂纹起裂,且二次裂纹与主裂纹发生相互作用。二次裂纹起裂的机制是在晶界氢原子形成二维片状积聚。当氢原子聚集片(cluster)的尺寸相对于局部拉伸达到临界时,裂纹成核。但只在聚集片的Fe-H-Fe键被破坏时在晶界的氢原子聚集片才能成为裂纹,这就要求局部应力一定要超过破坏Fe-H-Fe键所需要的门槛值,这与下临界应力σth的存在是相对应的。因此减小应力可防止氢脆的发生。(6)可伐合金外引线在实际生产中由于客观条件的限制如电镀技术、电镀前后产品的处理及制管工艺中一些机械的和人为的操作因素等,外引线电镀的镀层本身存在微缺陷或在内、外应力的作用下产生缺陷,如针孔、虚镀、微裂纹等。这些缺陷的存在加上电镀、焊接和安装时残留的Cl-和应力,在一定的外部环境中使得镀层与可伐合金基体形成异金属电池导致点蚀,点蚀以阳极溶解为主;点蚀产生后,红棕色的腐蚀产物(经X光分析是FeO(OH))堆积于蚀坑处,蚀坑内发生自催化效应,Fe++不断溶解,H+不断增多,蚀坑内溶液由中性逐渐变为酸性,并发生放氢反应随着点蚀的逐渐发展,由于蚀坑前沿区域应力集中,扩散到材料中去的氢原子向应力集中区聚集。在拉应力、酸性介质及氢的共同作用下,蚀坑底部产生沿晶裂纹,断裂的主要机制是应力腐蚀。裂纹萌生后,断裂的机制以氢致开裂为主,裂纹扩展导致快速断裂。阳极溶解变为次要地位,Cl-的作用是加速点蚀的形成并促进放氢反应。3氢对断裂的影响(1)面心立方奥氏体的可伐合金为氢脆敏感性材料。氢脆的发生有一下临界应力σth。(2)可伐合金氢脆断口为混合型断口,断裂类型分沿晶、解理、准解理和韧窝断裂,随着氢含量的减少,断裂方式由沿晶→解理→准解理→韧窝断裂。(3)裂纹扩展的机制是在裂纹尖端的前方有二次裂纹起裂,出现由氢的析出压力促使基体变形滑移造成的滑移台阶。(4)可伐合金的脆断过程为