加速壽命試驗(yàn)綜述

戚龍 潘婷

(陜西電器研究所,陜西西安 710065)

加速壽命試驗(yàn)綜述

戚龍 潘婷

(陜西電器研究所,陜西西安 710065)

加速壽命試驗(yàn)作為可靠性試驗(yàn)的一個(gè)組成部分,是控制、提高產(chǎn)品可靠性的常用方法?，F(xiàn)代產(chǎn)品開(kāi)發(fā)需求促進(jìn)了加速壽命試驗(yàn)技術(shù)的產(chǎn)生與發(fā)展。本文介紹了加速壽命試驗(yàn)的前提、分類及常用的加速模型,并在最后總結(jié)了加速壽命試驗(yàn)的難點(diǎn)在于加速壽命模型的建立。

壽命 加速 模型

壽命試驗(yàn)是一種重要的可靠性試驗(yàn)，是對(duì)產(chǎn)品的可靠性進(jìn)行測(cè)試、分析和評(píng)價(jià)的一種常用方法。隨著元器件水平的迅速提高，高可靠、長(zhǎng)壽命的產(chǎn)品越來(lái)越多，在正常應(yīng)力水平下進(jìn)行壽命試驗(yàn)來(lái)評(píng)定產(chǎn)品的可靠性已不能滿足實(shí)際需要，代價(jià)很高，不現(xiàn)實(shí)。目前廣泛采用了加速壽命試驗(yàn)。加速壽命試驗(yàn)是為縮短試驗(yàn)時(shí)間，在不改變故障模式和故障機(jī)理的條件下，用加大應(yīng)力的方法進(jìn)行的試驗(yàn)。

美羅姆航展中心1967年首次給出了加速壽命試驗(yàn)的統(tǒng)一定義：加速壽命試驗(yàn)是在進(jìn)行合理工程及統(tǒng)計(jì)假設(shè)的基礎(chǔ)上，利用與物理失效規(guī)律相關(guān)的統(tǒng)計(jì)模型對(duì)在超出正常應(yīng)力水平的加速環(huán)境下獲得的可靠性信息進(jìn)行轉(zhuǎn)換，得到試件在額定應(yīng)力水平下可靠性特征的可復(fù)現(xiàn)的數(shù)值估計(jì)的一種試驗(yàn)方法。加速壽命試驗(yàn)采用加速應(yīng)力進(jìn)行試件的壽命試驗(yàn)，從而縮短了試驗(yàn)時(shí)間，提高了試驗(yàn)效率，降低了試驗(yàn)成本，其研究使高可靠長(zhǎng)壽命產(chǎn)品的可靠性評(píng)定成為可能。

70年代初，加速壽命試驗(yàn)技術(shù)進(jìn)入我國(guó)，立即引起了統(tǒng)計(jì)學(xué)界與可靠性工程界的廣泛興趣，一直處于邊研究邊應(yīng)用的狀態(tài)。目前加速壽命試驗(yàn)技術(shù)應(yīng)用范圍涉及軍事、航空、航天、機(jī)械、電子等諸多領(lǐng)域。

1 加速壽命試驗(yàn)的基本前提

(1)失效機(jī)理的一致性。失效機(jī)理的一致性是指在不同的應(yīng)力水平下產(chǎn)品的失效機(jī)理保持不變。通常，失效機(jī)理的一致性是通過(guò)試驗(yàn)設(shè)計(jì)保證的，即要求加速壽命試驗(yàn)中的最高應(yīng)力等級(jí)不能高于產(chǎn)品的破壞極限。

(2)失效過(guò)程的規(guī)律性。失效過(guò)程的規(guī)律性是指產(chǎn)品壽命與應(yīng)力之間存在一個(gè)確切的函數(shù)關(guān)系式，即加速模型。

(3)失效分布的同一性。失效分布的同一性指在不同的應(yīng)力水平下產(chǎn)品的壽命服從同一分布，這是壽命數(shù)據(jù)處理的基本前提。

2 加速壽命試驗(yàn)類型

(1)恒定應(yīng)力加速壽命試驗(yàn)。恒定應(yīng)力加速壽命試驗(yàn)如圖1所示，簡(jiǎn)稱恒加試驗(yàn)。圖中，t表示試驗(yàn)時(shí)間，S表示試驗(yàn)應(yīng)力，×表示樣品失效。試驗(yàn)過(guò)程中，選定一組高于正常應(yīng)力水平S的加速應(yīng)力水平S1＜S2＜…＜Sn，將一定數(shù)量的樣品分為n組，每組樣品在彼此獨(dú)立的應(yīng)力水平下進(jìn)行壽命試驗(yàn)，直到各組均有一定數(shù)量的樣品發(fā)生失效為止。

(2)步進(jìn)應(yīng)力加速壽命試驗(yàn)。步進(jìn)應(yīng)力加速壽命試驗(yàn)如圖2所示，簡(jiǎn)稱步加試驗(yàn)。步加試驗(yàn)是選定一組高于正常應(yīng)力水平的加速應(yīng)力水平S1＜S2＜…＜Sn，試驗(yàn)開(kāi)始時(shí)，先將一定數(shù)量的樣品置于S1應(yīng)力下進(jìn)行試驗(yàn)，經(jīng)過(guò)t1時(shí)間，把應(yīng)力提高到S2。應(yīng)力下未失效的樣品在S2應(yīng)力下繼續(xù)進(jìn)行試驗(yàn)，如此重復(fù)下去，直到在Sn應(yīng)力下有一定數(shù)量的樣品發(fā)生失效為止。

(3)序進(jìn)應(yīng)力加速壽命試驗(yàn)。序進(jìn)應(yīng)力加速壽命試驗(yàn)如圖3所示，簡(jiǎn)稱序加試驗(yàn)。序加試驗(yàn)施加的應(yīng)力水平隨時(shí)間連續(xù)變化，最簡(jiǎn)單的就是圖3所示的線性上升，此外還有許多復(fù)雜的應(yīng)力施加方式，如循環(huán)應(yīng)力、彈簧應(yīng)力、三角函數(shù)應(yīng)力等。序加試驗(yàn)的特點(diǎn)是應(yīng)力變化快，失效也快，因此序加試驗(yàn)需要專用設(shè)備跟蹤和記錄產(chǎn)品失效。

3 常用加速試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h2>

3.1 阿倫尼斯(Arrhenius)模型

當(dāng)用溫度作為加速應(yīng)力時(shí)，因?yàn)楦邷啬苁巩a(chǎn)品(電子元器件、絕緣材料等)內(nèi)部加快化學(xué)反映，促使產(chǎn)品提前失效。其評(píng)估模型采用阿倫尼斯模型。

式中： N表示溫度為 T時(shí)的壽命特征; A是一個(gè)常數(shù)，表示受試產(chǎn)品由實(shí)驗(yàn)決定的常數(shù); E為激活能，與材料有關(guān)，單位eV; K為玻耳茲曼常數(shù)，為; T為絕對(duì)溫度，從而 E/ K的單位是溫度，故又稱 E/ K稱為激活溫度。

為了簡(jiǎn)化統(tǒng)計(jì)分析，對(duì)阿倫尼斯模型作對(duì)數(shù)變換，兩邊同時(shí)取對(duì)數(shù)，則對(duì)應(yīng)的加速模型就變?yōu)榫€性模型，從而易于對(duì)加速模型中的待估常數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)推斷，該線性變換的阿倫尼斯模型為：

其中， a=lnA， b=E/ K，它們是待定的參數(shù)。

3.2 逆冪律模型

當(dāng)環(huán)境應(yīng)力為非熱應(yīng)力(比如受電、載荷、腐蝕介質(zhì)影響)時(shí)，譬如，加大電壓亦能促使產(chǎn)品提前失效。其特征壽命與應(yīng)力之間符合下式：

式中： N是某壽命特征，如中位壽命、平均壽命、特征壽命等; A是一個(gè)正常數(shù); c是一個(gè)與激活能有關(guān)的正常數(shù);是應(yīng)力，常取電壓。上述關(guān)系稱為逆冪律模型，它表示產(chǎn)品的某壽命特征是應(yīng)力的負(fù)次冪函數(shù)。假如對(duì)上述關(guān)系兩邊取對(duì)數(shù)，就將逆冪律模型線性化，即得：

其中， a=lnA， b=-c。它們是待定的參數(shù)。

圖1 恒加應(yīng)力

圖2 步加應(yīng)力

圖3 序加應(yīng)力

3.3 Coffin-Manson模型

Coffin-Manson模型反映產(chǎn)品在熱循環(huán)應(yīng)力作用下導(dǎo)致的疲勞失效，也被成功用于模擬焊點(diǎn)受到溫度沖擊后的裂紋擴(kuò)展過(guò)程，因此可應(yīng)用于描述產(chǎn)品熱疲勞失效與溫度循環(huán)應(yīng)力的關(guān)系。

Coffin-Manson模型的一般形式為：

其中， N為循環(huán)周次; ΔT為溫變范圍; f為循環(huán)頻率; Tmax為最高溫度; Ea為激活能;; δ;1β、2β為待定系數(shù)。

Coffin-Manson模型考慮了溫度范圍、循環(huán)頻率(與溫變率有關(guān))、最高溫度等多種因素，可以充分描述溫度循環(huán)加速壽命試驗(yàn)的壽命與環(huán)境剖面的關(guān)系。但是，該模型待定參數(shù)較多，對(duì)溫度范圍、循環(huán)頻率和最高溫度都進(jìn)行加速。

當(dāng)溫變范圍和最高溫度都不變，只提高溫變率時(shí)，則Coffin-Manson模型可以簡(jiǎn)化為，取對(duì)數(shù)后可以轉(zhuǎn)化為線性模型：

3.4 應(yīng)力壽命加速模型

根據(jù)強(qiáng)度理論，疲勞曲線在其有限壽命范圍內(nèi)的曲線方程為：

對(duì)數(shù)變換后得：

式(1)中： m， C為材料常數(shù); S為應(yīng)力幅值; N為應(yīng)力幅值 S時(shí)的破壞循環(huán)數(shù)。

3.5 廣義艾林模型

如果以溫度和電壓同時(shí)作為加速應(yīng)力時(shí)，Classtene、Laidler、Eyring在1941年提出一個(gè)加速模型：

其中 N是某壽命特征; A、 B、 C和 D是待定的常數(shù); K是波爾茲曼常數(shù)，為。將上式線性化簡(jiǎn)化后可得：

4 結(jié)語(yǔ)

隨著市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的愈加激烈，新產(chǎn)品研制日益呈現(xiàn)周期緊、費(fèi)用控制嚴(yán)格的局面，這對(duì)可靠性工程研究提出高效性和經(jīng)濟(jì)性要求，由于加速壽命試驗(yàn)?zāi)軌虼蟠蟮目s短研究周期，降低成本，因此加速壽命試驗(yàn)技術(shù)具有更廣闊的應(yīng)用前景。但對(duì)于加速模型(尤其是多因素復(fù)合加速模型)的確立，我國(guó)還處于起步階段，需要大量的工作在這個(gè)方向，這成為了制約加速壽命試驗(yàn)技術(shù)推廣的主要障礙。

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戚龍(1982—),男,漢族,山東泰安人,碩士研究生,主要研究領(lǐng)域：薄膜傳感器開(kāi)發(fā)及其可靠性研究;

潘婷(1985—),女,漢族,陜西西安人,碩士研究生,主要研究領(lǐng)域：薄膜傳感器工藝技術(shù)開(kāi)發(fā)。