印制板及其组件(PCB&PCBA)是电子产品的核心部件,PCB&PCBA的可靠性直接决定了电子产品的可靠性。为了保证和提高电子产品的质量和可靠性,对失效进行全面的理化分析,确认失效的内在机理,从而有针对性地提出改善措施。
电子元器件失效分析的目的是借助各种测试分析技术和分析程序确认电子元器件的失效现象,分辨其失效模式和失效机理,确认最终的失效原因,提出改进设计和制造工艺的建议,防止失效的重复出现,提高元器件可靠性。
集成电路复杂度与性能要求的持续攀升,叠加设计、制造、封装及应用环节的潜在风险,导致短路、开路、漏电、烧毁、参数漂移等关键失效模式频发。这不仅造成昂贵的器件报废与系统宕机,更常引发设计方、代工厂、封测厂与终端用户间的责任争议,带来重大经济损失与信誉风险。
高分子材料性能要求持续提升,而客户对高要求产品及工艺的理解差异,导致断裂、开裂、腐蚀、变色等典型失效频发,常引发供应商与用户间的责任纠纷及重大经济损失。
金属构件服役环境日益苛刻,对材料性能和结构可靠性提出更高要求。然而,设计缺陷、材料瑕疵、制造偏差或不当使用等因素,极易引发疲劳断裂、应力腐蚀开裂、氢脆、蠕变、磨损、过载变形等典型失效。
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12.9级高强度螺栓,为什么在氢脆测试中"折了"?

发布时间: 2026-08-17 00:00
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一批12.9级高强度螺栓,热处理后力学性能测试合格,表面电镀镍后按惯例进行氢脆测试(预紧力设在标准限值的80%,24小时观察期)。以往批次,24小时安然无恙;但这批螺栓,不到24小时就断了,断裂位置在螺栓头部与光杆的过渡处,正是截面积突变的应力集中区。

客户面临的困惑很直接:同一供应商、同一牌号材料、常规热处理与电镀流程,为什么这批螺栓在氢脆测试中"折了"?如果是批次性问题,产线上还有多少螺栓带着同样的隐患?

更让人费解的是后续检测数据——螺栓内部氢含量不到3ppm,而航天领域的经验表明,一般钢中氢含量超过5ppm时才被认为存在明显氢脆风险,3ppm不到,按理说不该断裂。

这个反差,恰恰是整个分析的突破口。


1.断口分析:典型的氢致延迟断裂形貌

用体视显微镜和扫描电子显微镜(SEM)对断裂螺栓的断口进行宏观与微观观察。

  • 宏观上看,断口整体未见明显塑性变形,呈典型的脆性断裂特征。

螺栓断口整体观察图

螺栓断口整体观察图

  • 微观上看,断口呈“棘轮状”的多源起裂,裂纹源区可见“冰糖状”沿晶形貌,沿晶面上可见“鸡爪形”撕裂棱,具有典型的氢致延迟断裂特征;终断区为韧窝形貌。

断口源区形貌、源区沿晶面形貌(撕裂棱)

断口源区形貌、源区沿晶面形貌(撕裂棱)

断口源区形貌、源区沿晶面形貌(撕裂棱)

结论:根据断口微观形貌及裂纹扩展痕迹可知,多源裂纹起源于螺栓外边缘,在预紧力作用下沿径向扩展并在心部发生最终断裂。


2.金相分析:组织正常,排除材料缺陷

将螺栓截取金相试样,未腐蚀态下观察夹杂物,腐蚀后观察显微组织。

  • 未腐蚀态下,心部和边缘均未见严重的非金属夹杂物。

夹杂物等级评定结果

夹杂物等级评定结果

  • 腐蚀后观察,心部和边缘组织均为回火马氏体,局部存在轻微偏析,但未见严重组织缺陷。

结论:材料内部组织正常,排除因夹杂物超标或组织异常导致的断裂。到这一步,问题还不在材料"里面",得往别处找。


3.成分分析:碳含量超标,第一个异常浮出水面

用电感耦合等离子体发射光谱仪(ICP-OES)、碳硫分析仪和气体元素分析法(EGA)对螺栓进行全成分检测,结果与JIS G4053-2016中SCM435的标准要求对比:

  • 失效螺栓碳含量明显偏高,超出规格上限,其余元素(Si、Mn、Cr、Mo)均在标准范围内,氢含量小于3ppm。

螺栓成分测试结果(Wt.%)

螺栓成分测试结果(Wt.%)

碳含量偏高意味着什么?碳是决定钢的强度和硬度的核心元素,碳含量偏高,热处理后材料的强度和硬度会相应升高——而这恰恰会增加材料对氢脆的敏感性,这是分析过程中发现的第一个关键异常。


4.硬度测试:表面与心部硬度差异显著,增碳现象确认

对失效螺栓的边缘和心部分别进行维氏硬度测试(HV0.3),并按GB/T 1172-1999换算抗拉强度:

  • 边缘与心部硬度差超过30 HV,说明螺栓表面存在增碳现象——热处理过程中表面碳含量异常升高,导致表面硬度和强度显著高于心部。12.9级螺栓的抗拉强度标称要求为1220 MPa,而硬度换算后边缘强度1568 MPa、心部强度1353 MPa,均远超标称等级。

螺栓硬度测试结果(HV0.3)及强度换算

螺栓硬度测试结果(HV0.3)及强度换算

到这一步,检测链路已经完整:断口确认了氢致延迟断裂模式,金相排除了组织缺陷,成分分析发现碳含量超标,硬度测试确认了表面增碳和强度远超12.9级的客观事实。所有线索指向同一个方向——螺栓实际强度过高,氢脆敏感性大幅增加。


失效原因

螺栓发生氢致延迟断裂,需要同时满足三个条件:材料对氢脆敏感、存在拉应力、存在氢原子。

1. 材料敏感性与强度超标

螺栓碳含量偏高(0.440%,标准上限0.38%),叠加热处理表面增碳,导致整体强度远超12.9级标称值。钢材强度越高,氢脆敏感性越大——裂纹尖端的应力集中系数更高,微裂纹形核率更高,扩展速度更快。高强度的回火马氏体组织对氢的富集极为敏感,氢原子在晶界处偏聚后削弱原子间结合力,使材料在低于正常断裂应力的载荷下即可开裂。

2. 氢的来源

螺栓电镀镍前需酸洗去除表面油污和氧化层,酸洗过程中H⁺在金属表面还原生成的氢原子会渗入基材;电镀过程中螺栓作为阴极,电解液中的H⁺在镀件表面还原析出,部分氢原子进入镀层和基体。电镀后未进行除氢处理,渗入的氢留在了螺栓内部。

3. 应力作用

氢脆测试时施加的预紧力(标准限值80%)提供了外部拉应力;螺栓头部与光杆过渡处的截面积突变本身也是应力集中位置。在应力梯度作用下,氢原子向高应力区(裂纹尖端三向应力区)扩散富集,当局部氢浓度达到临界值时,沿晶界萌生裂纹并加速扩展。

关键解释:虽然螺栓氢含量不到3ppm,低于航天领域经验中5ppm的风险阈值,但由于螺栓强度远超设计等级,氢脆敏感性显著增加,即使微量氢也足以诱发开裂,这正是"3ppm不到却依然断裂"的根本原因。


改进建议

  1. 严格管控材料成分:按SCM435标准验收原材料,确保碳含量在0.33%~0.38%范围内,避免因碳含量偏高导致强度超标。

  2. 关注热处理表面增碳:在热处理出厂检验中增加表面硬度与心部硬度对比测试,发现增碳现象及时调整工艺参数。

  3. 优化回火工艺:在确保产品满足使用性能的前提下,适当提高回火温度,降低材料强度和硬度,从而降低氢脆敏感性。

  4. 严控表面处理环节:高强度螺栓原则上不建议做电镀处理。如必须电镀,应严格控制酸洗时间和浓度,电镀后必须在4小时内进行除氢处理(通常为190~220°C保温不少于8小时)。

  5. 建立氢脆敏感性评估机制:对不同批次的螺栓进行氢脆敏感性评估,而非仅依赖最终的氢脆测试合格与否。

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