加速壽命試驗(yàn)的原理-國家燃?xì)庥镁哔|(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心課件

1、匯 報(bào) 人： 嚴(yán)榮松匯報(bào)單位： 中國市政工程華北設(shè)計(jì)研究總院有限公司 國家燃?xì)庥镁哔|(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心輸配設(shè)施中橡膠可靠性預(yù)測時(shí)測試介質(zhì)研究目 錄CONTENTS01 |可靠性的檢測02 |燃?xì)庥孟鹉z的加速壽命試驗(yàn)03 |結(jié)論與建議0 1PART ONE可靠性檢測 成 品 可 靠 性 評(píng) 估早期可靠性增長中激發(fā)設(shè)計(jì)缺陷和工藝缺陷可靠性增長試驗(yàn)的預(yù)處理可靠性鑒定試驗(yàn)前預(yù)處理低組裝等級(jí)篩選可靠性驗(yàn)收試驗(yàn)前處理常溫驗(yàn)收前消除早期故障大修后驗(yàn)收前消除早期故障研制階段生產(chǎn)階段使用階段在壽命期各階段的應(yīng)用可靠性檢測 可靠性是指：產(chǎn)品在規(guī)定的條件下和規(guī)定的時(shí)間內(nèi)，完成規(guī)定功能的能力。一般定義產(chǎn)品在設(shè)計(jì)，制造中賦

2、予的，產(chǎn)品開發(fā)者可以控制，它是產(chǎn)品的一種固有特性。固有可靠性產(chǎn)品在實(shí)際使用過程中表現(xiàn)出的一種性能保持能力的特性，它除了考慮固有可靠性的影響因素之外，還要考慮產(chǎn)品安裝、操作使用和維修保障等方面因素的影響。使用可靠性可靠性檢測產(chǎn)品失效盆浴曲線 可靠性測試目的：淘汰有缺陷的器件：材料缺陷、工藝缺陷、設(shè)備狀況等因素引入；根據(jù)使用要求，篩去不符合的器件：壽命、使用環(huán)境，如溫度、輻射、振動(dòng)等可靠性檢測可靠性原材料物理可靠性 塑料、橡膠、金屬半成品/成品可靠性環(huán)境可靠性（溫度類、機(jī)械類、氣候類等）成品可靠性評(píng)估 設(shè)計(jì)原則、盆浴曲線可靠性檢測其他性能物理性能力學(xué)性能熱性能電性能性能塑料/橡膠/金屬密度吸水性透

3、明度拉伸彎曲沖擊壓縮硬度介電常數(shù)表面電阻/體積電阻（率）導(dǎo)電性維卡軟化點(diǎn)熱變形溫度熱膨脹性燃燒性透光率霧度原材料物理可靠性測試可靠性檢測穩(wěn)定性厚度附著力硬度顏色性能 鍍層/涂層濫用情況工作環(huán)境半成品/成品安裝環(huán)境存儲(chǔ)環(huán)境使用環(huán)境半成品/成品的可靠性測試溫度壽命試驗(yàn)?zāi)途眯詼y試?yán)錈釠_擊氣體腐蝕振動(dòng)測試調(diào)壓器測試可靠性檢測低溫低濕普通溫濕度快速溫變冷熱沖擊高溫高濕溫度類環(huán)境可靠性測試隨機(jī)振動(dòng)機(jī)械沖擊跌落三綜合振動(dòng)正弦振動(dòng)機(jī)械類環(huán)境可靠性測試風(fēng)雨紫外燈碳弧燈介質(zhì)金屬鹵素?zé)魵夂蝾惌h(huán)境可靠性測試調(diào)壓器及其部件工作環(huán)境可靠性檢測半成品/成品的可靠性測試0 2PART TWO燃?xì)庥孟鹉z的加速壽命試驗(yàn)1. 加速

4、壽命試驗(yàn)概要2. 加速壽命試驗(yàn)原理3. 失效模式和失效機(jī)制4. 加速壽命試驗(yàn) 5. 加速模型6. 壽命預(yù)測與加速系數(shù)以縮短實(shí)驗(yàn)時(shí)間為目的, 比基準(zhǔn)條件加嚴(yán)的條件下進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)種類 : 加速壽命測試, 加速應(yīng)力測試 加速壽命測試(ALT:Accelerated Life Test) 比正常使用條件加嚴(yán)的應(yīng)力水準(zhǔn)下進(jìn)行試驗(yàn), 促進(jìn)產(chǎn)品的故障, 從盡快時(shí)間內(nèi)收集的故障信息中, 推定壽命-應(yīng)力的關(guān)系, 從而推定使用條件下的壽命的一種測試 加速應(yīng)力測試(AST:Accelerated Stress Test) PBA, Units 等 Assembly作為對(duì)象, 適用溫度和任意振動(dòng)的階梯形的應(yīng)力, 找出設(shè)

5、計(jì)裕量的過程中, 發(fā)現(xiàn)并改善設(shè)計(jì)中的弱點(diǎn), 從而提高可靠性的一種測試1.1 加速試驗(yàn)的定義 加速壽命試驗(yàn)概要種類目的對(duì)象方法加速壽命試驗(yàn)推定使用條件下的壽命組件或設(shè)備適用一定的應(yīng)力，利用壽命-應(yīng)力的關(guān)系式加速應(yīng)力試驗(yàn)找出設(shè)計(jì)缺點(diǎn)及提高可靠性元件或設(shè)備適用階梯形應(yīng)力和復(fù)合應(yīng)力加速壽命試驗(yàn)和加速應(yīng)力試驗(yàn)的比較 1.2 加速壽命試驗(yàn)的必要性及效果 必要性在產(chǎn)品開發(fā)方面, 為了調(diào)查潛在的故障模式、比較設(shè)計(jì)和制造方法或評(píng)價(jià)可靠性,并進(jìn)行壽命試驗(yàn)；在品質(zhì)和性能測試方面，確保市場的競爭力要求在極短的時(shí)間內(nèi)開發(fā)并評(píng)價(jià)出產(chǎn)品。因此在盡快的時(shí)間內(nèi)，需要得到有關(guān)產(chǎn)品的可靠性的信息, 為此使用加速壽命實(shí)驗(yàn)。加速壽命試

6、驗(yàn)概要效果 通過縮短試驗(yàn)周期和開發(fā)周期 ，最終可以降低開發(fā)費(fèi)用； 盡快可以收集到為了評(píng)價(jià)設(shè)計(jì)的產(chǎn)品的性能信息和潛在的故障模式, 設(shè)計(jì)上的弱點(diǎn), 重要器件的確認(rèn)等有關(guān)可靠性的信息；盡快地推定使用條件下的可靠性尺度 (故障率, 壽命等 )，可以保證可靠性?？焖俚氖袌鲞M(jìn)入或交期的縮短預(yù)防市場故障(A/S, 索賠等 )快速的技術(shù)發(fā)展，增加了未知的因數(shù)開發(fā)危險(xiǎn)的減少以及可靠性的保證加速試驗(yàn)1.3 加速方法時(shí)間加速 增加連續(xù)或間歇?jiǎng)幼鞯拇螖?shù)來進(jìn)行加速的方法 (進(jìn)行30000次的行程大于50%全行程和頻率大于5次/min的啟閉動(dòng)作)加速壽命試驗(yàn)概要利用退化特性的加速 對(duì)于使用時(shí)間, 具有退化特性的項(xiàng)目 嚴(yán)密

7、的意義上講不能說是加速, 但是縮短時(shí)間的這點(diǎn)上, 可以認(rèn)為是加速的一種形式應(yīng)力(溫度, 濕度, 振動(dòng), 電壓, 壓力等 )加速 把應(yīng)力設(shè)計(jì)加嚴(yán)后做試驗(yàn)并促進(jìn)故障的 所謂的加速試驗(yàn)一般表示為對(duì)應(yīng)力的加速 Strength Stress : 故障1.4 應(yīng)力施加的方法 恒定應(yīng)力加速試驗(yàn)(constant-stress accelerated test) 應(yīng)力施加方法中的最代表性的方法 將一定水準(zhǔn)的應(yīng)力維持到試驗(yàn)結(jié)束時(shí)間為止的方法步進(jìn)應(yīng)力加速試驗(yàn)(step-stress accelerated test) 將應(yīng)力水準(zhǔn)變?yōu)殡A梯形的(主要是增加)實(shí)驗(yàn)方法應(yīng)力時(shí)間應(yīng)力時(shí)間加速壽命試驗(yàn)概要序進(jìn)應(yīng)力加速試驗(yàn)(

8、progressive-stress accelerated test) 隨著時(shí)間的推移, 連續(xù)地增加應(yīng)力的加速實(shí)驗(yàn)方法 應(yīng)力的增加率很難維持為一定的比例循環(huán)應(yīng)力加速試驗(yàn)(cyclic-stress accelerated test) 對(duì)試驗(yàn)產(chǎn)品上所加的應(yīng)力水準(zhǔn)像正弦曲線一樣，發(fā)生周期變化的實(shí)驗(yàn)方法應(yīng)力時(shí)間應(yīng)力時(shí)間1.4 應(yīng)力施加的方法 加速壽命試驗(yàn)概要應(yīng)力施加方法的優(yōu)缺點(diǎn)試驗(yàn)優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)恒定應(yīng)力- 試驗(yàn)條件和使用環(huán)境類似 試驗(yàn)進(jìn)行單純對(duì)很多材料和器件的模型的研究和證明- 可用數(shù)據(jù)分析的 S/W - 比起步進(jìn)形或序進(jìn)形應(yīng)力試驗(yàn)， 不能快速得到數(shù)據(jù)步進(jìn)形應(yīng)力 比起恒定應(yīng)力試驗(yàn)，快速得到數(shù)據(jù)， 因此，

9、也可以快速推定對(duì)模型和 壽命的信息 使用環(huán)境和(恒定應(yīng)力)和試驗(yàn)環(huán)境 (步進(jìn)形應(yīng)力)的差異 由應(yīng)力增加，產(chǎn)生故障模式的變化 或新模式序進(jìn)形應(yīng)力- 與步進(jìn)形應(yīng)力試驗(yàn)一樣 與步進(jìn)形應(yīng)力試驗(yàn)一樣- 很難管理試驗(yàn)1.4 應(yīng)力施加的方法 加速壽命試驗(yàn)概要加速試驗(yàn)就是提高使用項(xiàng)目時(shí)所受的外部和內(nèi)部應(yīng)力并促進(jìn)故障現(xiàn)象進(jìn)行的反應(yīng)速度和退化 將市場上由應(yīng)力所發(fā)生的全部故障機(jī)制或反應(yīng)過程，能如實(shí)的加速是很困難的 加速的應(yīng)力范圍當(dāng)中，使加速可能的條件應(yīng)滿足下列條件 1) 失效機(jī)制的不變性 2) 退化或失效模式的統(tǒng)一性(規(guī)則性)加速壽命試驗(yàn)的原理 即使施加了同樣的應(yīng)力，根據(jù)條件，產(chǎn)生不同的失效機(jī)制； 組件或材料的失效

10、機(jī)制是多樣的 ，但是即使施加了加嚴(yán)的應(yīng)力，失效機(jī)制也不會(huì)發(fā)生變化，而在實(shí)際使用條件下，模擬出同樣的失效機(jī)制就是加速壽命試驗(yàn)的基本原則； 當(dāng)失效機(jī)制不發(fā)生變化時(shí)，應(yīng)力和各種試驗(yàn)條件下的壽命分布具有規(guī)則性。2.1 失效機(jī)制的不變性 S1 S2 S3應(yīng)力時(shí)間f(t)加速壽命試驗(yàn)的原理 在退化過程中，有各種失效機(jī)制的存在，因此有時(shí)無法決定加速參數(shù)，也存在很難實(shí)證和確認(rèn)故障機(jī)制的情況，這時(shí)如下圖調(diào)查退化（或故障）模式并推定退化過程； 退化(或失效) 模式表現(xiàn)為定量模型。2.2 退化或失效模式的同一性及規(guī)則性時(shí)間參數(shù)退化量S1S2S3加速壽命試驗(yàn)的原理加速壽命試驗(yàn)的原理50組測試 退化模式的統(tǒng)一性 定義

11、: 不能完成或滿足項(xiàng)目所要求的功能或性能的事件 在故障力學(xué)觀點(diǎn)上是負(fù)載比材料強(qiáng)或材料比負(fù)載弱的問題發(fā)生不能完成或滿足項(xiàng)目所要求的功能或性能事件為止的時(shí)間稱為失效時(shí)間或壽命3.1 失效的定義負(fù)載 = F(t)故障項(xiàng)目失效部位失效模式: 破壞失效機(jī)制 : 疲勞失效模式和失效機(jī)制3.2 失效模式和機(jī)制作用于項(xiàng)目的負(fù)載可誘發(fā)應(yīng)力，這個(gè)應(yīng)力又引起多種故障機(jī)制并使項(xiàng)目發(fā)生故障 失效機(jī)制 : 引起項(xiàng)目故障的物理性 , 化學(xué)性, 機(jī)械性, 電氣性, 材料性的過程只有理解了失效機(jī)制，才可以預(yù)防故障，并且可以設(shè)計(jì)出可靠性的產(chǎn)品 失效模式 : 表現(xiàn)為失效機(jī)制結(jié)果的現(xiàn)象或癥狀偶發(fā)失效(overstress failu

12、re) 由外部過度的應(yīng)力所引起的故障 可承受外部應(yīng)力的強(qiáng)度（strength)不充分而導(dǎo)致的 設(shè)計(jì)者來不及收集到全部可能的應(yīng)力信息或也有顧客沒有按照設(shè)計(jì)規(guī)格使用產(chǎn)品而導(dǎo)致的情況耗損失效(wearout failure) 如器件或材料的耗損,變形, 疲勞, 裂紋, 龜裂, 脫離等物理現(xiàn)象或腐蝕或污染等化學(xué)反應(yīng)而發(fā)生 由項(xiàng)目使用的時(shí)間過長，性能 降低到無法使用的情況，主要是應(yīng)力的影響累積超過了耐久的限度而發(fā)生3.3 失效機(jī)制的分類失效模式和失效機(jī)制決定有效的加速應(yīng)力 聯(lián)系失效機(jī)制選擇有效的加速應(yīng)力 加速應(yīng)力與失效機(jī)制的關(guān)系加速應(yīng)力 故障機(jī)制溫度化學(xué)反應(yīng)溫度周期由熱膨脹系 差異引起的熱應(yīng)力溫度, 濕

13、度由水分滲透的影響電壓過電壓, 不純物離子的移動(dòng) 機(jī)器疲勞, 磨損負(fù)載3.4 失效機(jī)制和加速應(yīng)力 失效模式和失效機(jī)制恒定應(yīng)力加速試驗(yàn)失效機(jī)制和加速應(yīng)力 介質(zhì)： 空氣 AIR 丙烷 n-PENTANE失效模式和失效機(jī)制4.1 加速壽命試驗(yàn)(Accelerated Life Test)比使用環(huán)境加嚴(yán)的條件下，以縮短試驗(yàn)時(shí)間為目的而做的試驗(yàn)，促進(jìn)故障機(jī)制并測出壽命的一種試驗(yàn)方法 應(yīng)力的加速 : 在高應(yīng)力水準(zhǔn)下施加應(yīng)力 間隔動(dòng)作時(shí) : 增加反復(fù)的次數(shù) 連續(xù)動(dòng)作時(shí) : 加速延長持續(xù)時(shí)間的使用率從加速條件的試驗(yàn)結(jié)果中推定使用條件的壽命(外推) 利用加速條件之間存在的規(guī)則(加速系數(shù)) 故障機(jī)制的統(tǒng)一性必要性

14、 克服時(shí)間與試驗(yàn)單位數(shù)的制約 極短的時(shí)間內(nèi)，可以掌握產(chǎn)品的可靠度和性能加速壽命試驗(yàn)4.2 加速壽命試驗(yàn)的步驟實(shí)施加速試驗(yàn)對(duì)象的明確化加速模型的 適合性(檢討故障物理)調(diào)查實(shí)驗(yàn)室及使用現(xiàn)場的基礎(chǔ)資料(故障原因, 故障模式/mechanism 等) 樹立實(shí)驗(yàn)計(jì)劃判斷是否適合實(shí)施實(shí)驗(yàn)加速試驗(yàn)方法的確定及事后管理資料整理及統(tǒng)計(jì)分析驗(yàn)證加速試驗(yàn)方法的再現(xiàn)性不適合適合加速壽命試驗(yàn)5.1 阿累尼烏斯(Arrhenius)模型 模擬由化學(xué)反應(yīng)引起的退化故障的壽命與應(yīng)力的關(guān)系式反應(yīng)速度與溫度具有密切的關(guān)系時(shí)，可適用的加速模型。適用項(xiàng)目 電絕緣體或電介質(zhì) , 潤滑油或grease , 半導(dǎo)體儀器, 塑料, 蓄電池

15、, 白熾燈泡，燈絲等體現(xiàn)出由溫度應(yīng)力的物理 , 化學(xué)性反應(yīng)速度的依賴性化學(xué)反應(yīng)率和溫度(絕對(duì)溫度) T的關(guān)系式 化學(xué)反應(yīng)率 = Aexp-Ea/(kT) A : 常數(shù) Ea : 活化能(eV) K : Boltzmann 常數(shù), 8.61738510-5 eV/K T : 絕對(duì)溫度(K), +273.15加速模型假設(shè)為化學(xué)反應(yīng)達(dá)到臨界量時(shí)，發(fā)生故障 臨界量 = (反應(yīng)率) (故障時(shí)間) 故障時(shí)間 = (臨界量) / (反應(yīng)率) 因此，阿累尼烏斯的關(guān)系式如下公式表現(xiàn)為反應(yīng)時(shí)間()與反應(yīng)率成反比的形態(tài) (T) = AexpEa/(kT)當(dāng)取 Log 時(shí)，可表現(xiàn)為以下的線形式 ln(T) = ln(

16、A) + (Ea/k)(1/T)AIRn-PENTANE加速模型加速因子檢討要素是否選定施加性(X)測試性(Y)Modeling（Z)周圍溫度受周圍溫度的影響有變化Arrhenius模型阿累尼烏斯(Arrhenius)模型 反應(yīng)時(shí)間()與反應(yīng)率成反比的形態(tài) (T) = AexpEa/(kT)加速模型壽命預(yù)測的概念 壽命是由磨損故障 (wearout failure)引起的，當(dāng)產(chǎn)品的損傷程度超過材料所具有的 耐久限度時(shí)，發(fā)生故障 對(duì)材料的損傷儲(chǔ)蓄到其產(chǎn)品耐久的界限為止，儲(chǔ)蓄的損傷不能使項(xiàng)目能性退化的，其前提條件就是隨著時(shí)間的流逝，材料會(huì)發(fā)生退化的6.1 壽命預(yù)測的概念 壽命預(yù)測與加速系數(shù)壽命加速

17、系數(shù) 在使用條件 S1中做的試驗(yàn)和在加速條件 S2(S2S1)中做的試驗(yàn)的加速系數(shù)就是 達(dá)到同樣的累積故障概率 Fs為止的時(shí)間的比例關(guān)系 即基準(zhǔn)條件下的時(shí)間(L1)/加速條件下的時(shí)間(L2) 右側(cè)圖的壽命加速系數(shù) AL = L1/L2 又 AL可以表現(xiàn)為特性壽命的比例關(guān)系 AL = 1/2FtS2S1L2L1Fs80216.2 壽命加速系數(shù) 壽命預(yù)測與加速系數(shù)壽命預(yù)測與加速系數(shù)A0.8(GAS/AIR)=1.1A0.8(GAS/AIR)=1.1A0.8(GAS/AIR)=1.6A0.8(GAS/AIR)=1.250 3PART THREE結(jié)論與建議橡膠測試與結(jié)果1) 試驗(yàn)研究結(jié)果表明，空氣氣氛方法進(jìn)行加速老化試驗(yàn)的預(yù)測使用時(shí)間結(jié)果是采用燃?xì)鈿夥辗椒ǖ募铀傧禂?shù)在1-2之間。2)