摘  要：消费类电子和原始设备制造商（OEM）仍将成为促进连接器材料可靠性改进的驱动力。与此同时，工作温度和应力的提高也需要进一步改善其可靠性。为此，还需准确预测连接器预期寿命期内合金材料的性能。应力释放数据是连接器设计人员预测电连接器使用寿命的一个有效工具，并可根据现有数据对接触材料的选择做出决策。这些连接器设计数据现已广泛应用于计算机、通信和汽车电子工业。目前，有关连接器产品的寿命周期数据非常缺乏，尤其在计算机领域。不仅如此，它还是缩短连接器产品开发周期和有效期的一个更为有用的数据。应力释放现象目前已被人们广泛认识，本文旨在帮助人们理解应力释放数据及其测试方法。

关键词：连接器；铜合金；应力释放；测试数据

1 导言

人们的日常生活对电子产品的依赖性的增强及其无故障工作性能的要求是对连接器材料可靠性提出的一个先决条件。电子产品小型化、工作温度的提高以及易于组装等发展趋势仍将会继续下去。此外，市场竞争的加剧也要求连接器设计人员在非贵重金属合金中寻找适宜的材料以降低电子产品的成本。在许多情况下，这些趋势的综合结果使得连接器的铜合金的工作特性更接近其性能极限。初始接触力是连接器设计和材料特性的一个重要因素。由于在连接器接触件中，弹性变形会转换成塑性变形，故应力释放会导致连接器接触力的减小。如果连接器接触力低于某一临界水平，则连接器接触件会出现功能失效。因此，预测作为时间和温度相关函数的应力释放自然就成为确保连接器可靠性的关键因素。

连接器产品由施加应力所导致的位移，对于蠕变和释放来说其基本机理大体相同，但也有明显的不同之处。蠕变试验通常在应力恒定的条件下进行，而应力释放则是在总的应变恒定，而连接器产品应力减小的情况下出现的，即连接器产品应力释放试验实际上是应力减小状况下的蠕变试验。这一应力变化与时间的函数关系形成了连接器产品应力释放数据分析。因此，连接器设计数据的相关性是以试验为基础的，连接器产品应力释放数据一般采用剩余应力曲线或采用拉森-米勒参数（LMP）。

尽管连接器产品应力释放的预测非常重要，但提供连接器设计数据的方式很多，方法各种各样，连接器材料试验条件也各不相同。ASTME328标准虽然也介绍了用于获取连接器产品应力释放数据的各种方法以及数据还原方法，但没有规定什么样的连接器产品短时试验数据可以推算出长时特征数据，以及如何在没有现行数据的情况下评估某一温度下的连接器产品应力释放特性。本文将简述各种试验方法，包括数据推算法，此外还将讨论连接器产品应力释放对冷加工的影响。

2 应力释放数据的应用趋势

大多数连接器设计人员采用应力释放数据主要是以此来根据应用要求缩小连接器接触材料的选择范围。不过，许多设计人员也正在寻求适当的试验方法，以便更准确地预测接触件的寿命特性，这样可以大大减少试验所需的连接器设计样品数量以及测试众多连接器设计样品所带来的相关成本。

目前，恶劣环境中和发动机罩内的汽车连接器大多采用3级或125℃的设计技术要求，而下一代汽车连接器的工作温度预计将提高到150℃。只是大多数非汽车类连接器似乎不需要在125℃以上的条件下保持其稳定性。不过，高密度连接器要求初始插合力较低；反过来，也减小了连接器产品应力释放量。这就使得连接器产品应力释放即使在较低温度下也是重要的特性。

与特定应用有关的连接器材料试验数据所需的标准测定时间一般很难准确确定。在期望的使用温度下，测试时间在1000h和3000h之间即可用来评估汽车电子产品的特征数据。种种迹象表明，人们已越来越关注3000h以外即3000—5000h（相当于150000英里的使用寿命）的特征数据。试验数据的推算（没有考虑斜度的变化）可能会导致接触件寿命期限的高估现象，并且随着时间的延长其高估量会相应增大。

某一特定温度下的数据半对数图形表示法目前应用最为广泛，其需要最为迫切。这也是比较某一特定应用的各种连接器材料最为简易的方法。不过，需要强调的是，推算的连接器材料数据应仔细检查，并应注意出现最终寿命高估的可能性。

3测试方法

一般来说，连接器设计样品所施加的应力应低于其屈服强度。首先，用夹具将它保持在这一位置，使之暴露在测试温度环境中，然后通过一定的方式来控制并保持初始位置所需的负荷力。这种负荷力可以用来确定连接器产品剩余应力或应力损失的百分率。

ASTME328标准描绘了连接器材料的拉伸、压缩、扭曲和打弯方法。该标准还强调指出，试验中的应力释放条件应与实际使用的元件的工作条件类似。为此，连接器材料的应力释放试验一般在打弯时完成。这种试验具有显著的优点，即它所用的试验设备较为简单轻便，价格低廉。不过，它也具有一定的缺点：在整个连接器产品试样厚度上，其应力不是恒定不变的。因为它适合拉伸和压缩试验模式，这就使其基本机理的连接器材料数据分析更为复杂。

测试连接器弯曲应力释放现有三种基本方法，其不同点在于负荷的测量方式不同。

（1）负荷的连续记录；

（2）连接器材料测量将试样从一个或一个以上的约束条件上解除时所需的力，即通常所谓的“卸除法”。

（3）连接器材料试验结束时，撤去负荷后的弹性回弹力的测试。

第一种方法的主要缺点是在连接器材料试验过程中必须连续给每个试样施加负载力。这样不仅成本高，其过程也有点复杂。第三种方法不需直接测量连接器产品负载力，但连接器每次试验需要采用多种试样。第二种方法可直接测量连接器负载力，并可重复测试单个连接器材料试样，故该连接器材料测量方法一直沿用至今。连接器材料试验中所用的试样为楔形悬臂梁（图1），楔形可以补偿连接器产品应力的变化。其变量与位于对侧的悬臂梁负载点的距离构成一定的函数关系。

（a）试样平面图；（b）试样加载后的剖视图

图1 应力释放试样

连接器材料试样表面的初始应力一般设置在室温偏差为0.2%时的屈服强度（RTYS）的50%和80%之间。随着连接器材料试样加热到试验温度，屈服强度将有所减小。试验温度时的屈服力无须进行例行测试，但在某些情况下连接器设计应进行检查。连接器材料试验完成后，在该温度下，应力不得超过屈服强度（RTYS）的80%。

将连接器材料试样暴露在测试温度环境中，保持一定的时间后将它取下，并使之在室温下冷却。测量从负载销钉上卸除连接器材料试样所需的力[图1(b）]，然后再除以初始负载力，即可得出剩余应力百分率（%）。延长测试时间，重复这一试验程序，以绘制剩余应力（%）与测试时间变化曲线图。值得注意的是，其他图形通常采用的数据是应力损失率（%），而不是剩余应力（%）。本文采用的连接器设计标准测试时间为1000h、温度低于125℃，或在125℃（或125℃以上）条件下试验3000h。

4 数据分析方法

一般情况下，我们需要根据较短试验时间所得到的数据预测出较长时间的连接器材料特性。而且，在试验之前也可以预测它在某一温度下的特性。从过去的实际经验来看，人们采用了两种方法来满足这两个要求，即线性推导法和使用拉森-米勒参数。这两种方法的优缺点我们将通过连接器设计实例分别加以说明。

4.1线性推导法

这一方法是根据经验观察得出的，即剩余应力百分率（%）随着时间的延长而呈线性下降趋势。图2表示三种温度下的横向弹性应力释放回火合金C663的剩余应力的变化曲线。数据点是所测得的数据，而实线是最佳拟合直线。斜度发生变化的位置采用描述该数据的两条直线方程来计算。显然，这一数据并不是一条单一的斜直线，应该采用发生斜度变化后的直线来推算。图中的虚线表示其推算结果。

图2 弹性应力释放回火合金C663应力释放曲线

值得注意的是，连接器设计发生斜度变化的时间随着试验温度的升高而减小。假定连接器设计斜度变化是所测试的连接器材料所发生的主要变化，则肯定会出现这一特性。因为在更高的温度下，连接器设计斜度变化的时间将会缩短。对于大多数合金来说，这种连接器设计斜度的转折趋势在试验温度较低时一般不会出现，而随着温度的升高，其变化的时间也将趋于减小。不过，在某些情况下，数据的散布现象会掩盖这一总体趋势。

为了尽量减小在连接器设计斜度变化之前数据推导时出现合金稳定性高估的风险，奥林公司在125℃或125℃以上进行了3000h的连接器材料例行试验。3000h连接器材料试验过程可以广泛应用于汽车工业，以模拟150000英里的汽车寿命期。值得注意的是，图2采用了105℃、3000h的试验，因为1000h以前连接器材料试验的数据表明它刚好要发生连接器斜度变化。下面就给出一个实例来说明使用较短时间得出连接器设计数据所存在的风险。

图3 125℃时渗碳回火合金C151的纵向应力释放曲线

图3表示125℃时渗碳回火合金C151的纵向试验数据。实心点为截至1000h（包括1000h）的数据点，而空心点则表示2000—5000h之间的数 据。如果是1000h前的点，则可以用来推算实心线的结果。不过，由图中可以看出，在1000h附近，其斜度出现了明显的变化。虚线则采用1000h以上所得到的数据，以显示斜度变化的结果。

图4合金C654渗碳回火应力释放曲线

图4表示合金C654渗碳回火的类似实例以及1000h前的实心点和2000h和3000h的空心点。由图3和图4可以看出，采用1000h之前的数据来推算更长时间的数据会高估其剩余应力（%），而且随着时间的延续，高估的量也越来越大。表1对短时试验测得的数据（图3和4中实线）推算值和长时数据（图3和4中虚线）推算的值做了对比。

稍加注意即可发现，1000h数据点大大低于图3所推测的变化趋势，然后继续延长试验时间。实际上，如果在数据中斜度发生变化之初就延长试验时间也不失为一种好的做法。不过，如果考虑到图4中1000h以后的数据，则不应再延长试验了。由于的标准试验时间为3000h，故斜度变化只能从本例中获得。斜度变化的存在以及上述实例说明了这种推算方法存在重大缺陷。因为它不容许出现斜度转折，而这一现象在超过试验期限时往往会出现。不过，这种推算方法也具有其突出优势，即它采用的是重要温度时的数据，这就消除了由于单条叠合曲线不适合某一特定温度而造成的误差。

表1短时、长时数据推算的C151和C654剩余应力值

4.2拉森-米勒参数

拉森-米勒参数创立于1952年，起初用来研究钢的回火曲线，随后逐渐得到了广泛的应用。在此，我们仅作简单介绍。连接器产品试验是在几种温度（T）和时间（t）以及一定量的应力释放条件下进行的，然后将这些值代入下列公式:

T（C + logt）= LMP

式中，LMP为拉森-米勒参数，C为拉森-米勒常数。

我们将应用这一方法的几种预测值与从各个温度直线获得的值进行比较。图5是来自直线的剩余应力（%）与来自拉森-米勒参数的剩余应力（%）对比。实心直线代表完全吻合，而虚线则表明两种方法相差10%。由此可见，其一致性非常好，只有少数几个点的偏差超过10%。

图5来自直线的剩余应力（%）与来自拉森-米勒参数的剩余应力（%）对比

图6和图7表示奥林公司新近开发的合金C186和C663的拉森-米勒曲线。其应力释放参见表2。注意，采用最小二乘法从该数据中计算出的常数值C往往相差较大。一般情况下，计算出的C值应在5和25之间。表3比较了用LMP预测的剩余应力，并将它与具有相同时间和温度的线性方法得到的结果进行比较。

图6合金C186 TM04拉森-米勒曲线

可以看出，同一LMP值数据具有良好的一致性。显然，弹性应力释放回火合金C663在150℃时没有125℃时那么稳定。尽管如此，在超过常规认为较为稳定的温度条件下所得到的数据是非常有用的，其原因有二：第一，其稳定性能为特定应用所接受；其次，它表明较高温度下短时试验等效于较低温度下的长时试验。值得注意的是，构成图6和图7的数据显示在几种试验温度下的斜度变化，而且数据在叠合曲线上仍然向下倾斜。这表明，LMP是在单一曲线上绘制数据曲线的一个行之有效的方法，但它没有揭示连接器产品应力释放的基本机理。

图7合金C663弹性/RA拉森-米勒曲线

是否采用拉森-米勒法取决于它在无试验数据存在的情况下提供温度值的可能性。这种方法在连接器开发过程中设计适宜的短期试验以模拟长时性能时也是非常有用的，详见表3。表中数据表明，250℃、75h的试验可以模拟TM04回火合金C186在200℃、3000h条件下的试验。同样，150℃条件下试验189h可以等效于弹性应力释放回火C663在105℃条件下试验100000h。不过，当超过产生这种叠合曲线相关数据的温度范围时，最好不要采用LMP曲线来进行预测。因此，必须考虑图示中用来形成每条拉森-米勒曲线适用的温度范围。

表2 TM04回火合金C186和弹性应力释放回火合金C663应力释放数据

表3 拉森-米勒叠合曲线剩余应力与根据同一拉森-米勒参数单项试验剩余应力对比

4.3两种方法的结合

线性推导方法具有一个优点，即它采用研究中的一些重要温度时的数据。其缺点是如果试验之后斜度发生变化，则有可能会过高估计连接器材料的长期特性，其实例参见图4和表1。可以看出，C654短时试验测得的数据高估了较长时间的性能。图8是C654合金拉森-米勒曲线。该曲线显示这种连接器材料的常数C为21.5。这表明，10000h时的拉森-米勒曲线参数为10.149×103，该参数相当于在150℃条件下试验311h。150℃时的实际试验连接器设计数据表明此时的剩余应力为65%。该值大大低于用125℃、1000h试验数据所预测的74%，参见表1。值得一提的是，LMP与更高试验温度下所测得数据的结合使用表明，用短时试验数据推导出长时数据可能忽略了斜度的变化。因此，可以在现有连接器设计数据的基础上采用一种方法来验证其他方法。

图8 渗碳合金C654拉森-米勒曲线（纵向：环境温度）

4.4冷加工的影响

冲压只是表示在金属零件制造过程中用工具冲击使其厚度变小。连接器设计一般需要冲压工序，以便达到一个期望的几何形状或提高冲压区域的强度，从而提高其负载能力。据文献介绍，特定的铜合金轧制回火时间越长，则其抗应力释放性越小。因此，与精加工相关的冷加工也可望减小抗应力释放性。

由表4可以看出，在135℃时TM02回火合金C7025的冷轧对纵向应力释放性能的影响。表中连接器设计数据表明，合金板厚度减小25%时，应力释放性能迅速退化；而厚度降低25%—50%时，其退化速度则更趋缓慢。为了便于比较，表4还列出了1/2HT回火合金C17410（冷轧37.5%）的数据。我们知道，两种合金冷轧时其减少的量是相近的。需要强调的是，连接器设计数据的对比并不是用来表明不同合金受冷轧的影响有什么不同，而是表明冷轧可能会对所有合金的连接器性能产生一定的负面影响。

表4冷轧对C7025和C17410应力释放性能的影响

4.5应力释放测试的未来发展趋势

随着连接器应用领域的进一步深化，连接器的工作温度和应力将会趋于增高，这就需要它采用性价比最高的连接器材料。在本文中采用了两种连接器设计方法，可以将应力释放进行变换，以便为正确选择连接器合金材料提供应用指南。不过，人们也认识到与连接器材料实际使用条件有关的几个重要问题仍然悬而未决，下面就谈谈这些问题。

在连接器制造过程中所必要的打弯工序中更多的要采用冷加工方法。这种变形与冷轧所造成的变形不同，其原因有二：首先，由于材料有一定的厚度，打弯工序将导致材料不同程度的变形，即一个表面出现拉伸，而另一个表面被压缩。变形最大的区域是其表面，这也是打弯过程中应力最集中的区域。其次，变形将位于弯曲处而不是在整个冷轧试样纵向范围内均匀分布。这些现象就形成了其主要缺陷，即适用于连接器带材的应力释放数据并不能说明与连接器制造有关的变形。奥林公司认识到这一缺陷，目前正在评估一些连接器材料测试方法，以获取更适宜的连接器设计数据。应该强调的是，现行试验的主要优点是可以提供适用于成型连接器的合金材料的优化选择。

5结论

（1）促使连接器的工作性能更趋于合金性能极限的因素可能还将继续存在。这表明，准确预测应力释放是连接器设计的关键所在。

(2）当应力作为测试时间的一个相关函数时，经常会发现斜度出现了变化。因此，测试时间应该适当长一些，以获取这一特性。

(3）当测得的数据与温度存在一定的相关性时，将现有的数据线性推广到较长的测试时间是非常有用的。不足之处是当试验时间超出规定时，有时会发生斜度转折，而且在其他温度下也无法预测其性能。

（4）在单个图示中，绘制各种温度下的数据曲线时，拉森-米勒参数非常有用。这一方法对于预测材料在已完成的和预计进行的短期试验的两温度之间的性能，并以此模拟材料的长期性能时也是非常有用的。但是，如果超出该测试温度范围，则不能用它来进行推算。

(5）可以将两种方法结合起来，以此来对推算值进行验证。

（6）铜带的轧制可以模拟连接器的制造，其作用与C7025和C17410性能相反。

(7）由带材所获数据存在一定的局限性，由于打弯是在连接器制造过程中完成的，所以它没有反映出任何负面影响。