（化工过程机械专业论文）焊锡钎料的多轴力学性能与低周疲劳寿命研究.pdf

中文摘要1 微型拉扭疲劳试验机精度高、响应快、功耗小、易操作，可以进行材 料的力学性能试验。利用d e l p h i 编程语言编制的试验机程序，可以同时 控制轴向和扭转两个通道，可以实现载荷控制、位移控制，并采集试验数 据。 本文对6 3 s n - 3 7 p b 和s n 一0 7 c u 两种钎料进行了单轴拉伸和纯扭试验、 纯扭疲劳试验以及多轴棘轮试验。试验结果表明：钎料拉伸和纯扭时的应 力应变关系有很强的应变率相关性。弹性模量和剪切模量受应变率的影响 很小。钎料的屈服应力、屈服剪应力、拉伸强度和剪切强度也受应变率的 影响。钎料是剪切型破坏材料，并且发生循环软化。多轴棘轮加载时轴向 加载的恒定应力、剪切应变幅对轴向棘轮应变和疲劳寿命有很大的影响。 利用等效应变法和临界面法估算存在棘轮变形的疲劳寿命时，预测结 果偏于非保守。这些方法不能体现棘轮应变累积对疲劳寿命的影响，不能 用来进行多轴棘轮加载下疲劳寿命的预测。考虑棘轮效应影响的c o f f i n 模 型将棘轮效应与循环部分相结合来计算疲劳寿命，预测结果比较好，绝大 部分预测结果分布在2 倍分散带内。 关键词：钎料，疲劳试验机，多轴棘轮，棘轮应变，疲劳寿命预测 i 本课题获国家自然科学基金资助( 1 0 2 7 2 0 8 0 ) 和教育部高校青年教师奖资助 a bs t r a c t 2 w i t h h i g h p r e c i s i o n ，q u i c kr e s p o n s e ，l o wc o n s u m ea n dc o n v e n i e n t o p e r a t i o n ，t h em i c r ot y p et e n s i o n t o r s i o n a lf a t i g u et e s t i n gm a c h i n ec a nb e u s e df o rm e c h a n i c a lp r o p e r t yt e s t so fm e t a la n do t h e rm a t e r i a l s t h et e s t i n g m a c h i n es o f t w a r ew e r ed e v e l o p e dt oc o n t r o lt h ea x i a la n dt o r s i o n a lm o v e m e n t a tt h es a m et i m eb yd e l p h i t h es o f t w a r ec a nc o n t r o lt h el o a da n dt h ep o s i t i o n o ft h em a c h i n ea n dg a t h e rt h et e s td a t a i nt h i sp a p e r , p u r et e n s i o na n dp u r et o r s i o n a lt e s t ，t o r s i o n a lf a t i g u et e s t a n dm u l t i a x i a lr a t c h e t i n gt e s tw e r ec o n d u c t e do n6 3 s n 一3 7 p ba n ds n 0 7 c u t h er e s u l th a v es h o w nt h a tt h es t r e s s s t r a i nr e l a t i o n s h i p s ，y i e l ds t r e s s ，s h e a r y i e l ds t r e s s ，t e n s i l es t r e n g t h ，s h e a rs t r e n g t ho ft h es o l d e r sh a v es t r o n gs t r a i n r a t e d e p e n d e n c e b u tt h ee l a s t i cm o d u l u sa n ds h e a rm o d u l u sh a v en o t a p p a r e n ts t r a i nr a t e d e p e n d e n c e t h es o l d e r sa r es h e a rf r a c t u r ea n dc y c l i c s o f t e n i n gm a t e r i a l s t h ea x i a ls t r e s sa n ds h e a rs t r a i na m p l i t u d ea f f e c tt h e r a t c h e t i n gs t r a i na n dt h ef a t i g u el i f ei nt h em u l t i a x i a lr a t c h e t i n gt e s tg r e a t l y i tw a ss h o w nt h a te q u i v a l e n ts t r a i na p p r o a c ha n ds o m ec r i t i c a lp l a n e a p p r o a c h e sg a v el i f ep r e d i c t i o no nu n s a f es i d ef o rt h es o l d e rw i t hr a t c h e t i n g s t r a i n w i t h o u tc o n s i d e r i n gt h er a t c h e t i n gs t r a i n ，t h e s ea p p r o a c h e sc a n tb e u s e dt op r e d i c tf a t i g u el i f eo fs o l d e ri nm u l t i a x i a lr a t c h e t i n gt e s t c n n s i d e r i n g t h er a t c h e t i n gs t r a i n ，t h ec o f f i nm o d e lg a v eg o o dp r e d i c t i o n ，a n dm o s to ft h e p r e d i c t e dv a l u e sf c l lw i t h i nas c a t t e rb a n do f2 k e yw o r d s ：s o l d e r ，f a t i g u et e s t i n gm a c h i n e ，m u l t i a x i a lr a t c h e t i n g ，r a t c h e t i n g s t r a i n ，f a t i g u el i f ep r e d i c t i o n 2t h e p r o j c o ti ss u p p o r t e db yn a t i o n a ln a t u r a ls c i e n c ef o u n d a t i o no fc h i n a ( 10 2 7 2 0 8 0 ) a n dt h e t e a c h i n ga n dr e s e a r c ha w a r dp r o g r a mf o ro u t s t a n d i n gy o u n gt e a c h e r si nh i g h e re d u c a t t o n i n s t i t u t i o n so fm o e ，p r c 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和 取得的研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得鑫鲞盘堂或其他 教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所 做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名； 签字日期：州年2 月2 z 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解叁洼盘堂有关保留、使用学位论文的 规定。特授权：墨壅本堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数 据库进行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅 和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名；楗 相 导师签名： 签字目期：汐。占年2 - 月2 2 日签字日期：朋年汐月p 第一章文献综述 1 1 微电子封装介绍 第一章文献综述 自1 9 4 7 年美国电报电话公司( a t & t ) 贝尔实验室的三位科学家巴丁、 布赖顿和肖克莱发明第一只晶体管起，就开创了微电子封装的历史1 。 2 0 世纪5 0 年代以三根引线的晶体管外壳( t o ) 型金属玻璃封装外壳 为主，后来又发展为陶瓷、塑料封装外壳。随着集成电路的发展，外壳封 装引线数越来越多，促进了封装形式的发展。6 0 年代发明了双列直插式封 装( d i p ) ，这种结构很好地解决了陶瓷与金属引脚的结合问题，热性能和 电性能俱佳。8 0 年代出现的表面安装技术( s m t ) 是电子组装技术的一场 革命，出现了无引脚陶瓷片式载体( l c c c ) 、塑料有引脚片式载体( p l c c ) 和四边引脚扁平封装( q f p ) 等，并于8 0 年代初达到标准化，形成批量生 产。9 0 年代，随着集成电路发展到超大规模阶段，电子封装引脚由周边型 ( q f p 等) 发展成面阵型，如针栅阵列封装( p ( 3 a ) 。结合q f p 和p g a 的 优点，9 0 年代初研制出球栅阵列封装( b g a ) ，从此芯片封装能够适应芯 片发展的步伐。随后又发明了倒装芯片( f c ) 、芯片尺寸封装( c s p ) 等， c s p 的封装面积和芯片面积之比小于1 2 ：1 ，解决了长期存在的芯片小而 封装大的根本矛盾。为了充分发挥芯片自身的功能和性能，将多个未加封 装的芯片先安装在多层布线基板上，再整体封装起来，就是多芯片组件 ( m c m ) i lj 。它使电子封装技术达到新的阶段。 未来的微电子封装将向系统级封装( s o p ) 发展，典型的是单级集成 模块( s l i m ) ，即各元器件、布线、介质以及芯片都集成于个封装系统 内。微电子封装一直都是随着集成电路芯片的发展而发展的。 从由硅圆片制作出各类芯片开始，微电子封装可以分为三个层次【1 1 ， 即用封装外壳将芯片封装成单芯片组件和多芯片组件的一级封装，将一级 封装和其他元器件一同组装到印刷电路板上的二级封装，将二级封装插装 到母板上的三级封装。在集成电路芯片和各级封装之间，通过互连技术将 芯片焊区与各级封装的焊区连接起来称为芯片的零级封装。芯片互连在整 个电子封装中占有举足轻重的地位，并贯穿于封装的全过程。 微电子封装有非常重要的意义。芯片开发者曾试图摆脱封装，将集成 电路( i c ) 直接安装到电路基板上，使用不封装的集成电路，由于种种原 第一章文献综述 照，至今仍米能实现。微电子封装避常有五种功能，即毫源分配、信号分 熬、教蒸邋遂、撬壤支撵蟊强凌镶轳u l 。徽电子封装善先瓣缝接逶电深， 使芯片与电路流通电流。其次需要愉当分配不同部位的电源，以减少电源 的不必要损耗。布线时_ 陂尽可能使信号线与芯片的互联路径及通过封装的 l ，0 雩l 爨赘鼹经达到最娥浚减夸电髂母延迟。务差孛擞毫子瓣装豢要考攥器 件、部件长期工作时如何将聚集的热量散出的闷题，以保证系统在使用温 度要求的范围内正常工作。微电子封装可为芯片和其他部件提供牢固可靠 躲橇械支撑，并能适应鑫秘工作环域靼条 牛懿变化。 1 2 微电子封装用烨锡钎料 镦龟予赫装瘸秘弹锡钎辩包括锈镑铮辩昶焉锻钎辩。辫锈钎辩在徽电 予封装中起到电子器件的电，热、机械连接作用，主要用予二级封装1 2 】。 钎料也祢为焊料。其发展可以避溯到公元静4 0 0 0 年。最初使用鲍是 戳金为基誊季豹镑赣。冬金萋镑辩类镁，锯基话瓣、镊薹镑瓣、镄窝黄镌褥 料，耐热钎料及贵金属钎料等因为熔点在4 5 0 c 以上，机械性能较高，太 部分在2 0 0 m p a 以上，习惯上把这贱难熔钎料都称为硬钎料。但是现在遁 零绣说静锊辩缮戆是软锋瓣。软铮辩撵懿是熔杰湿度在4 5 0 戬下、裁缀 强度不到1 0 0 m p a 的钎料，如以锡、铅、锌、诵、铋等金脯为基的合鑫。 1 2 。1 锡锻钎料 在现代电子工业中，锡铅合金钎料是封装电路板及元器件长期广泛使 用的钎料。锡铅共晶合众是6 3 s n 3 7 p b ，其共黼点为18 3 ，具有较低的 缕健湿度，羹对铜基体戆澜漫性磐。导电性、廷震性良好，其翳焊王艺瞧 缝良好，戚形美观。戴岁 锡铬钎料德厢普通的焊剂和廉价添加物，钎辩豹 原料丰富，成本低廉，照一种良好的电子工业材料【3 1 。锡铅钎料中的铹可 以减小表颟张力，有利于澜滠；能臌止锡瘟发生，所谓锡瘢是指在1 3 c 以 下发生由舀锡( s n ) 爨灰锈( a s n ) 戆稳变，导致2 6 豹落积膨张； 假进钎料芹d 被焊件之闭快速形成键合1 4 1 。此外还有接近共晶合金 6 0 s n 4 0 p b 、富铅合金5 s n 9 5 p b 等常用的锡铅会余。 1 ，2 2 无镪钎料 随着电予封装材料和技术的更新换代，人们在追求产晶的高性能的同 2 第一章文献综述 时，更注重宅的无毒、绿色、环境友好等特点。锡锻钎料虽然有很多优点， 穗是其孛静锈为畜毒金壤，黠天髂蠢害。镑是一狰重金霾霓素，一嫒搿采 出来，就不会被降解，所以铅污染客较永久地存在于环境中。今后随着铅 的进一步开采和利用，如不进行预防，人体内锚含量还会不断增加，将极 大遮藏黪入类懿餐康。 随着电子工业的迅猛发展，锄锻钎料的消耗曩也飞速增长。因此锵决 铅污染的问题成为近年来电子封装技术发展的热点【5 1 。欧、美和日本等发 达地区和嚣家部已出台相关的法规秘措施以限铡镪在电予维装产品c p 匏 便霜，一些建有代表瞧豹公司_ 帮组织纷纷提密了电子封装茏镑纯稳关静提 察、指令粜勾开发计划等。 且前国际上公认的凭铅钎料定义是：以s n 为基体，添加了a g 、c u 、 秘、趣其它念金元素，弱轴夔覆爨分数在8 。2 数下豹圭要雳手毫孑缮装 的软钎料台众l 引。 无铅钎料应能满足以下要求p l ； s 髓一帕_ 共螽舞瓣戆熔熹秀l s 3 ，霪兹媲鹰浆组装设餐都是苏1 8 3 为基本参考。因此要求无铅钎料的熔点尽量接近此温度。 无铅钎料的润湿性应该能基本达到s n - p b 钎料的润 ! l i ! 性。良好的 澜瀑性是舒烬传具有德缺路率的重爨操证。 s n 孙锌辑强度低，组绥不稳定，在室溆环境下与蒸体界嚣产臻鑫 属间化合物并长大而导数接头脆化，因而无铅钎科应有较搿的韧性及缎织 稳定性，抗蠕变，抗热循环疲劳及嶷有抗短时机械过载能力。 终必徽毫子器黪连接爱熬戈鳋镑耪，溆其有囊磐鹃导电瞧、等热 性，延伸率，可抑制搂默的过度发热，提高微电子器件的可靠性。 无铅钎料的成本也是一个非常重要的因素，从s n p b 钎料向无铅 钱辩转伲，妊矮怒成零豹罐热控到农最低隈度。 最有可能替代s n p b 钎料的无毒合金是s n 蒸合金1 7 j ，潮为s 豇成举低， 资源丰富，物理性能( 导热、导电性和润湿性) 合遥，易与其它元素合金化。 锻辩以s n 为主，添加a g 、c u 、b i 、z n 和i n 镲金属元素，通过合金他米 茂善舞辩合鑫的往髭，键赢可浑幢。 从相组成和熔点等方面因素考虑，s n a g ，s n z n 和s n - b i 基无铅钎料 被认为是最蒋希望的材料【叭，目前荚国、欧洲和日本等国藏在积极研究、 嚣爱，国蠹穗毒部分学舞对建透露掰究。 s n a g 系无铅钎料，是以9 6 5 s n 3 5 a g 共晶钎料为基础，添加适爨的 c u 、b i 和i n 等金属元索组成的钎料合金。s n a g 系钎料的特点；耐疲劈 第一章文献综述 性明显地优于s n p b 共晶钎料，强度比s n p b 共晶高，蠕变变形速度慢， 延展性有所下降，但不存在长期劣化问题。存在的主要问题是熔点偏高。 s n z n 系无铅钎料，是以9 1 s n 9 z n 共晶钎料( 熔点1 9 8 ) 为基础，添 加适量的b i 、i n 和a g 等金属元素组成的钎料合金。s n z n 系钎料的特点： 接近s n - p b 共晶钎料的熔点，延展性大体与s n p b 共晶钎料相同，拉伸强 度和蠕变性比s n - p b 共晶钎料优越，成本低。存在的主要问题是钎料的润 湿性、晶粒腐蚀和焊膏的保存稳定性等。 s 小b i 系钎料主要以s n a g ( c u ) 系钎料合金为基础，添加适量的b i 金 属元素组成的钎料合金。s n _ b i 系钎料的特点：拉伸强度和蠕变性能都优 子s 小p b 共晶钎料，具有良好的润湿性和保存稳定性，随着合金中b i 金 属元素质量分数的增加，其耐热疲劳性和延展性下降，合金变跪，加工性 差，金属b i 资源有限，润湿性受杂质影响很大，特别是磷的影响。 目前而言，最吸引人的无铅钎料是s n a g c u 系列。其他有潜力的组 合包括s n 一3 5 a g 、s n 一0 7 c u 和s n - a g b i 。s n a g - c u 之间存在三元共晶， 且熔点低于s n a g 共晶，不过该三元共晶的准确成分还存在争议。与 s n a g 、s n c u 相比，该组合的可靠性和可焊性更好。s n a g 力学性能良好， 可焊性良好，热疲劳可靠性良好，共晶熔点为2 2 1 。s n c u 价格便宜， 熔点高，其共晶合金s n 0 7 c u 的共晶点是2 2 7 。s n a g b i 熔点是2 0 0 2 1 0 ，可靠性良好，可焊性好，但是存在润湿角上升缺陷问题。 1 3 微型拉扭疲劳试验机 1 3 1 疲劳试验机概况 多轴疲劳实验设备是按照试件的几何尺寸和载荷容量进行设计的。随 着先进技术的材料实验设备和数字计算机系统的飞速发展，研究者能够采 用大量实验技术来评价材料和构件的力学行为，发展出了多种有效的实验 方法，并且得出了各种不同种类材料的多轴疲劳和变形的重要实验数据。 疲劳实验机是研究多轴疲劳不可或缺的工具。 目前国际上比较有名的疲劳试验机公司有美国i n s t r o n 、美国m t s 和日本岛滓等。美国i n s t r o n 公司是全球第一台闭环控制电子万能材料 试验机的发明者。五十多年来始终致力于试验机工业的研发及制造。美国 m t s ( 力学测试与模拟) 公司是全球最大的力学性能测试与模拟系统供应 商，是该领域的先驱和领导者。i n s t r o n 和m t s 实验机，拥有世界最先 4 第一章文献综述 进的实验机技术。测量和控制精度高，性价比高，其硬件系统和软件系统 都十分完善并且拥有良好的售后服务和技术支持，占据着国际的主要市 场。国内的实验机技术近几年来突飞猛进地发展，国产实验机技术日趋成 熟，已经在工业生产、科学研究、技术监督等各个部门占据重要的地位。 但是，国内的实验机的技术仍然相对比较落后，大量部件需要从国外进口， 精度不够高，无法实现复杂路径加载，性能和售后服务等各方面与进口实 验机都有较大的差距。 1 3 2 微型拉扭疲劳试验机 目前，多轴拉扭疲劳试验机多采用液压系统实现，液压疲劳试验机主 要存在以下几个问题：液压系统的量程较大，无法满足小型试件的精 密试验；动态响应速度慢，无法进行高频疲劳试验；功率大，试验 过程中产生较多热量，试验机进行高周疲劳试验时会有散热问题。因此， 液压试验机无法满足微电子材料、高分子材料等各种新型材料的力学性能 测试要求。 天津大学化工学院过程装备与控制工程系c a r e ( c o m p u t e ra i d e d r e l i a b i l i t ye n g i n e e r i n gl a b ) 实验室自行设计了微型拉扭疲劳试验机，以电 机作为基本作动单元，具有精度高、响应快、功耗小、易操作等特点，可 以进行小型试件的力学性能试验f 9 l 。 微型拉扭疲劳试验机结构简单，主体结构由框架、横梁、电机、电机 控制器、传感器和夹具组成。框架主体采用丝杆，独特的双自锁结构可有 效防止横梁在试验过程中移动。试验开始前，横梁可在外部交流电机作用 下手动上下调节，运动速度可根据需要自行设定。电机是实现拉压与扭转 动作的主要作动单元。传感器为拉扭复合传感器。本试验机具有两种控制 模式( 载荷、位移) ，可根据需要选择。由于位移控制的精度极高( 最大 分辨率1pm ) ，经标定可以将位移信号用作应变信号。转角可以转化为剪 应变信号。轴向运动与扭转运动由独立的控制器分别控制，两通道可无干 扰的异步工作，也可同步协调工作。控制波形由音圈电机控制器的内部数 字寄存器产生，可生成三角波、正弦波、方波、斜波、梯形波等各种控制 波形。通过设置拉扭方向的控制方式及波形、频率，可实现比例路径和圆 路径、菱形路径、方形路径等各种非比例路径，用于研究金属、非金属材 料在多轴加载条件下的力学响应。电机控制器与上位机相连，可以把试验 过程中的载荷、位移信号在上位机实时显示、控制或存储以备后续处理。 该试验机软件采用d e l p h i 编程语言编制。d e l p h i 是基于w i n d o w s 操 第一章文献综述 作系统的一种可视化开发工具，它共有功能强大、简便易用和代码执行速 发瓷等爨患。镬爰d e l p h i 嚣发应蠲软俘，可疆大大速凌褰镳程效率。 1 4 焊锡钎料力学性能的研究 现代微电子工业越向高性能和微型化方向发展，电子器件的体积和焊 点的尺寸越来越小，而所需承载的力学、电学和热学负荷却越来越重，对 箕可靠程舱蘩袁基盏提燕f 4 ，。毫子产品兹撰嚣大多是壶予姆接焘匏失效嚣 弓1 起的，并非由于元件本身功能失常所致。电予元件和基檄具有不同的热 膨胀系数，因此在工作过程中焊点处会产生应力和应变。处于工作状态的 烬点将受到剪切、拉 枣、热疲劳循强和蠕变等作爆1 2 l 。焊镌铮料的剪切、 狡停佳能、抗孀交往能、抗疲劳毽巯的研究嚣褥菲常重要。国内井不少学 者用焊锡钎料做了大量的试验和理论研究，对焊锡钎料的力学性能有了比 较深入的了解。 1 4 1 拉伸和剪切憾能 l a n ge ta l t l 0 1 在不同的应变率秘淀度下研究了s n - 3 5 a g 的拉律性能， 劳与6 3 s n - 3 7 p b 遂行了鞫：较。研究发现s n - 3 s a g 懿流魂应力蘧着瘦交率的 增大和温度的减小而增火。6 3 s n 3 7 p b 也存在类似的情况。s n _ 3 5 a g 的拽 伸强度和屈服强度随着成变率的增大和温度的减小而增大，并且比相同条 转- f6 3 s n - 3 7 p b 豹鞠庭豹蓬丈。s 矬3 ，5 a g 豹延 枣率夔着瘦变搴窝温度豹增 大而增大。6 3 s n 3 7 p b 娥性的率敏感性比s n 3 5 a g 强，并飘延性更好。通 过t e m 观察s n 一3 5 a g 发现a 9 3 s n 沉淀在b s n 中。 z h a oe ta l t “l 在s n 3 a g 0 。5 c u 孛添弱b i 遴镗拉傍往熊测试，发瑗豫 搴 强度随着麴入b i 的量增大丽增大，丽延伸率剡相反。隧餐老化对阐的增 长，s n 3 a g ，0 5 c u 强度的减小和蜒伸率的增长很明显。强度减小鼹由 c u 6 s n 5 和a 9 3 s n 晶粒的糍化弓l 起的。在s n 3 a g - 0 5 c u 中加入b i ，老化时 澜对强度帮延 牵率豹影响不大。试验发现翔入一定量鹣b i 可戳键高 s n a g c u 的力学性能。 s h o h j ie ta l 1 2 1 研究了s n a g 、s n - a g c u ，s n a g - b j 三种合金的拉伸性 戆。磁究发袋这三静含众熬延往戆疲交率秘滠浚戆交耗镶小。逶过交稼应 变率试验发现无铅钎料的应力指数比锡铅钎料的大，并凰随温度变化不 大。 6 第一窜文献综述 s o p e rc ta l ”j 对倒装芯片中使用的6 3 s n 一3 7 p b 和5 s n - - 9 5 p b 进行挝伸 帮骜韬经熬溯试，磷究发瑗在按 枣帮赘弱辩5 s n 一9 5 p b 戆交形魄 6 3 s n 3 7 p b 黉小很多。鹅切疲劳的变形比拉仲疲劳的要大徽多。分析发现 损伤参量和鼹计变形成姬比关系，提出了一个损伤参量与疲劳寿命关系的 模型，模蘩分辑每试验褥至l 熬结论楚致茨。 p a n ge ta l l t 4 研究了热循环时s n - a g c u 的众属间化合物和剪切强发特 性。在回流过程中形成的金属间化含物是a 9 3 s n ，在1 2 5 c 和低剪切鬻时 交褥特鄹辍糙。焊点躲藏切强度有缀强的率相关性和温度棚关性。随麓瀑 度静舞高努仞强度将降低，试验溺褥豹剪韬强澎囱3 5 m p a 变为8 m p a 。在 2 5 并且剪切率高时测得最大的剪切强度，1 2 5 且剪切率最低时得到最 小的剪切强度。热循环时的残余剪切强度比热冲击时要小很多。热冲击时 金震凌让会搦增长率魄热镬坪翡大，著显黎毪簿浚疆嚣辩大。 k i me ta l t ”j 研究了高熔点的6 3 s n 3 7 p b 和低熔点的s n 。9 7 p b 在老化处 理后的剪切强度，并使用扫描电镜和透射电镜分析金属间化合物。发现在 9 0 0 夺薅老诧之蓐，6 3 s n 3 7 p b 移s n 一9 7 p b 熬簸大剪甥强璇分别减，l 、72 5 和2 0 。缀过老化处理后的断裂路径由钎料内部转变到众属闻亿合物表 丽。在s n p b 合金中金属间化合物对其性能有很大的影响。 l o we ta l t m 】研究了6 3 s n 3 7 p b 的拉伸和剪切性能。发现焊锡钎辩熊橇 式模量帮剪切模萋与巍交率无关，箍律、努讶貔藩藤强度和极限强度岛瘟 变率有关。试验得到的数据符合m i s e s 屈服准则。 。4 。2 疲劳性麓 s h ie ta l 1 7 1 和p a n ge t “1 8 1 研究了温度和频率对6 3 s n 3 7 p b 和s n 0 。7 c u 钎辩低周疲劳性能的影晦。发现焊锡钎料的疲势寿命随整温度舟商蕊减 ，l 、，势置隧麓频率静洚 蕊焉藏，j 、。考虑湿麦翻频率懿影豌瑟穆茏了羲灞疲 劳寿命的c o f f i n m a n s o n 公式，修厩后的公式很好地描述了温度和频率对 疲劳寿命的影响。 p a n ge ta l t 撺1 对s 矬+ 3 s a g ，0 。7 c u 巍s n 0 7 c u 嚣秘无锈褥瓣遘露7 羝霭 疲劳试验。并研究了基于塑性应炎幅的c o f f i n m a n s o n 和基于应交能的 m o r r o w 模烈，考虑了溆度和频率对疲劳寿命的影响。 k a n c h a n o m a ie ta 1 1 2 0 , 2 ，礤究了s n 3 5 a g 在不露觳载菝搴裙温度慰裂绞 萌生帮扩袋的影响。在1 0 , 3 _ i h z 、2 0 - 1 2 0 c 时疲劳延性指数几乎相同，丽 疲劳延性系数受频率的影响，提出的考虑频率的c o f f i n m a n s o n 公式能很 好的描述疲劳特性。多艨表面开裂以沿晶的方式在晶体鲶边界处产生。在 7 第一章文献综述 一定的疲势循环之后，谯试件内部于f 裂会演变为大裂纹。裂纹是以穿晶和 涤螽共存熬形式发震熬。 k a n c h a n o m a ie ta 1 1 2 2 , 2 3 采用非接触式应变控制系统对6 3 s n 3 7 p b 和 s n 一3 5 a g 进行疲劳试验，非接触测黛避免了引伸计与试件接触引起的变形 鞫瘟力集孛，镬鼹拯攒惫镜鼹察试髓表露豹裂绞夔生弱扩袋。在痰蒡零期 瘸察裂晶界滑移和徽裂纹，裂纹是以沿晶方式扩展的。 k a n c h a n o m a ie ta l 2 4j 研究不同威变率控制时6 3 s n 3 7 p b 的低周疲劳特 性。发现其疲劳寿命和虚变率是s 麒关系。低成交率时的童要失效原瞬是 螽赛涛移雩| 起豹开襞，褥离应变率辩则是晶嚣审匏空溺。过渡应交率是 1 0 。一1 0 。6 3 s n 3 7 p b 的失效时删随着应变率的增加而减少。 l ie t a l 2 5 1 研究了6 2 s n 一3 6 p b 2 a g 在剪切应力作用下低周疲劳性能。分 褥发瑷在毽定应力疆髂瘸下存在臻霞戆溪臻孀嶷孬隽。溽赢失效霆藏势移 蠕变共同作用的结果。在低应力幅时，失效主甏是由疲劳引起的；而商应 力幅时则主要是蠕变引起的。 簧获莲簿1 2 q 骚究了s n 3 8 a g 一0 ，7 c u 在应燮稷控割下豹 氛两疲劳纷秀， 发现总应变幅较高时发生循环软化，丽在总成交幅较低时表现为循环稳 定。在高应变幅下循环软化与a 9 3 s n 的断裂有荧。 p a n ge ta 1 1 2 7 姗究了6 3 s n 3 7 p b 在燕疲劳键环后微栽绫构的变优以及 它对剪韬j 辩疲劳豹影痢。锌辩酌徽裁结鞫醚着酾流和燕锤环丽发生交纯， 在温度循环时发生热疲劳失效。研究发现钎料的微观组织变粗糙了并鼠金 属闻化合物不断生长。焊点的剪切和疲劳强度随着热循环的增长而降低。 s o l o m o n t 2 s l 疆究了在3 5 帮1 5 0 薅9 6 + 5 s n 3 。5 a g 会众魏 蠡竭疲势特 性，发现在凝性应变小于l o 、恒定加载频率时，其流动应力比6 0 s n 。4 0 p b 和9 2 5 - 2 5 a g 一5 。0 s n 都薅小。在不闷失效定义时9 6 。5 s n - 3 s a g 合金的降载 夔线是平移藤。塑性瘦交窿1 - 1 0 范围走辩，其疲劳鸯愈毪6 0 s n 4 0 p b 和9 2 5 2 5 a g - 5 0 s n 太。 5 多辘l 爱趣疲劳寿愈信篝 疲劳的研究始于1 9 世纪中期w 6 h l e r 对车轴的系统研究，之后，材料 窝缝构熬疲劳运题已经越来越g l 起入镪的重援，舞进褥7 广泛的磷究 2 9 , 3 0 , 引j 。在现代工监备个领域中，大约5 0 9 0 以上的缝构强度破坏都是 由于疲劳破坏造成的。 近些第u 朱，对多轴低周疲劳损伤累积和寿俞佑算方法瓣研究取得了摄 第一章文献综述 大进展，建议了许多比较有效的疲劳模型。但由于在疲劳分析中加载历史、 应变幅值、材料的类型、结构的形状以及环境等众多因素的影响，尚未形 成一种对材料和载荷普适的理论【3 2 1 。目前对多轴低周疲劳破坏的损伤累积 和寿命估算主要有3 种方法：等效应变法、能量法和临晃面法。 1 5 1 等效应变法 等效应变法的最初模型是用于单轴低周疲劳的c o m n m a n s o n 公式， 通过m a n s o n 和h a l f o r d i 3 ，b o n a u s e 和k a l l u r i l 3 4 1 以及z a m r i ke ta 1 1 3 5 1 等 人的发展和修正，在估算多轴比例加载低周疲劳寿命方面已有许多成功的 实例。 对于单轴拉压低周疲劳，c o f f i n m a n s o n 公式表达为 了a e = 等+ 等；譬( 2 ，) b + e ；( 2 ，) c ( 1 - 1 )，f 、 j ，- 、 ， 一7 式中f 、丘和占。分别为总应变、弹性应变和塑性应变变程，e 为弹性 模量，o ；和8 ；分别为疲劳强度系数和疲劳延性系数，b 和c 分别为疲劳强 度指数和疲劳延性指数，是疲劳寿命。将这种单轴拉压低周疲劳模型 推广到多轴低周疲劳，则有 兰导= k ( 2 ，y ( 1 2 ) 式中，k 和d 为材料常数，s 。为等效应变，它可以是最大剪应变、m i s e s 等效应变以及最大总应变等。 以上这类模型的优点是简单使用，易为工程应用接受，但这类方法不 能考虑应力和应变在变形过程中的交互响应，不能反映低周疲劳寿命对应 变路径的依赖性，因此不适合于非比例加载下的低周疲劳问题。 1 5 2 临界面法 临界面的概念首先是由b r o w n 和m i l l e r t 3 6 1 提出来的。这一方法定义材 料的破坏面为临界面，其优点是赋予了疲劳损伤累积一定的物理解释。这 种方法一般分为两步：计算临界面上的应力、应变历史；将临界面 上的应力、应变转化成疲劳损伤参量。不同学者选择了不同的临界面和损 伤参量。 临界面法由于考虑了疲劳裂纹萌生及扩展的方向，具有一定的物理背 景，在处理多轴疲劳时结果比较理想，因此引起人们的高度重视并进行了 广泛的研究。 b r o w n 和m i l l e r 认为低周疲劳裂纹由两个应变参量控制，除了最大剪 9 第一肇文献综述 切应变夕 ，裂纹扩膨也受到最大翦应变所谯顾上的法向废变s 。的影响。 纯襄霜露凳爱绞势为嚣耱壤嚣，盔羧毯缝合载薅孛，主庭变占；窝平纷予 表面，裂纹沿表面扩展称a 型扩碰，对于正的双轴应力，威变晶垂宜于自 由面，裂纹在最大剪应变面上起裂，进而沿纵深扩展称为b 型扩展。该方 法要求童一系列常寿命藏线缝成豹r 平覆寒处理双辘疲劳数据，每一檄寿 命等值线表示为 ， ，一=f慨j(1-3) 但这种函数关系不确定，f 随着寿命不同而变化，且与材料的泊松比肖关。 鼹一些嚣瓣瓣试验磅究凌明，对手a 型扩震缮翻 陪 j + ( 铲- ( 1 - 4 ) g 、h 和j 楚奄寿余相关的经验参数，对于延鼗誊孝辩帮脆性材辩j 分裂避戗 为2 煮i 。 对于b 型扩展，可用t r e s c a 判据 筮。c ( 1 5 ) 2 、 k a n d i l ，b r o w n ，m i l l e r 3 7 1 针对a 激起裂裂纹给出的损伤参麓为应变参攫， 模型如下 掣粤+ s 疗d t = c ( 1 ， 式中s 为常数，由单轴低周疲劳试验得到，一般取a = 1 ，则 冬+ s o = c ( 1 7 ) f a t e m i 和s o c i e 3 9 1 的研究表明每种材料的断裂类型不随载荷而受，只 取决于材料本身。因此q 比例加载下材料的破坏机制是与比例载荷下的相 同，只是损伤累积率璎翔7 。一般的，将材辩觞破坏视制分力剪切型破坏 和控律型破坏两种类型。 对于披伸型破坏的3 0 4 不锈钢，s o c i e l 3 9 1 修正了s m i t h t 4 0 1 等人提出的 s w t 参量，认为垂煮予最大拉成力方向的裂纹扩展是疲势寿命的主骚阶 段，因魏耱浸大主拉震变疆矗最”鞠最大主鑫燮平瑟上静疆大控应力萨 作为损伤参照，给出如下寿命模型 c r t 一竿叫a ；( 2 ，卜譬( 2 ，) 2 6 ( 1 - 8 ) 对于剪切型破环的i n 7 1 8 合金，s o e i e 考虑了平均应力辩疲劳寿命豹影 响，在k a n d i 的模型中加入一线性应力项，得到 1 0 第一章文献综述 争十+ 詈= 讯2 虬p + 罟( 2 ，) k ( 1 - 9 ) 箕串矗为最大剪痖变变程，为最大剪应变颟的法囱越应交箍，为 最大剪应变伺的平均法向应力。 f a t e m i 秘s o c i e l 4 l 】认为上述模型不足以说明非比伊j 加载下所产生静瞅 秀鬟强纯对寿念戆影确。滋忿建议涛b r o w n 巍m i l l e r 参量串戆延应交。变为 般大剪应变丽上的最大法向应力d ，得到 争阱享】= 罟( 2 n f ) 礤n f ) “ 式中口。是材料的屈服威力，k 是和辫命有关的常数，可由单轴疲劳确定。 此模型由予引入了最大法向应力项，在一定程度上反映了非比例循环附加 疆纯黯蒸璃疲劳寿会静彩瘸。 w a n g 和b r o w n l 4 2 1 认为正应交仅在最大剪墩变从最大变到t 4 , 的过程 中对裂纹扩展起作用，且最大剪威变改变方向，正应变历史影响不辩存 簌。因此透过修正b r o w n 和m i l l e r 的临爨蔼参爨，得到如下一个与路径无 荚豹损伤翔攒 下a y m 十k 占：= 【1 + v 。十。一心弛1 警( 2 ，) b + 6 + + ( 1 - - u p l ( k ；( 2 ，) c ( 1 - 1 1 ) 獒孛矗隽最大羹应变变程，为最大剪应炎在最大篷鸯最夸毽溺交纯 过程中正成变的最大变化值。对予眈例加载，七述模型等效予b r o w n 和 m i l l e r 的模型。 c h e nc la l 转3 考虑戮骜饶应力耱廑交对控馋型破坏孝葶辩疲劳寿命鳃影 响，对s o c i e 豹拉律型摄伤参数进行修正，仍双缀大主应交蕊作为簸界溺， 给出具有能凝特征的临界面模型 矗s 矗锈+ a y ，a r l = 4 等0 蟛p + 4 8 ；8 ；0 以p 。( i - 1 2 ) 其中矗r 为最大主拉威变变程，嘶、y 。和q 分别为最大主拉应变筒上 的正应力、剪应变以及翦应力变稷。 惑予赘甥型疆嚣毒葶糕，錾最大赘应交嚣箨梵麴奏嚣，瓣霹考虑这令嚣 上剪切项及j 囊伸项对材料损伤积累的贡献，给出如下损伤模型 & c r t + a ，一f = 4 妥( 2 ，p b + 4 t ；( 2 ，p 一“0 - 1 3 ) 式中，却”为最大剪j 激变变程，a z 、a z ，和a c t l 分别为最大剪应变西上豹 剪应力、正廊变以及正威力变程。 第一章文献综述 1 5 。3 考虑棘轮效威的寿命估算 材料猩循环加载时，由于平均廉力的存在，导致塑性_ | 藏变沿平均威力 方向积累，这种应变积累称为棘轮腹变或棘轮效应。棘轮威变的累积可能 导致疲劳寿愈的减少，戏超过变形的限制两傻绥构不能正嚣工作。根撰应 力状态静誉嗣，棘轮效藏可分为单辘棘轮效应鞠多辖棘轮效应 4 4 , 4 5 1 。擎轴 棘轮效应是指在平均应力方向上产激的循环塑性应变累积，应力应变滞环 的不封闭性魑产生单轴棘轮的直接原因；多轴棘轮效应是搬材料在承受多 麓载蔫露溪下产生翡耪轮效应，产受戆轮效鑫熬方囊霹激怒一令方淘，氇 可能是多个方向，这和平均应力、加载的路径商关。 x i a 和k u j a w s k i t 4 6 】认为累积棘轮应变会产缴损伤使疲势寿命缩短，在 应力整裁下诗算疲劳按臻时应该考虑平均应力纛耱轮应交豹影确。辣轮效 应涉及报多潮素并且比较复杂，因此大多数疲势准则考虑平均应力的影响 而没有考虑棘轮应变的影响。针对威力循环的多轴棘轮试骏，提出一个考 虑平均应力的其毒能鬟特征静模型 秘矿+ 卜e 薏j 酞u 吩十c u m 1 4 ) 式中为能蹙参量，a w 一为每循环的塑性能爨，和吼分别为平均威力 霸循环瘦力箍僮，e 、k 。、镬和c 。为单辘疲劳褥到静李季瓣常数，为不 考虑棘轮效应的疲劳寿命。 单独考虑棘轮效应对疲劳寿命的影响，褥列 妒，；仃。垂二，；耘，+ c ， ( 1 _ 1 5 ) 式中为能薰参量，或。为循环中的最大应力德，o 平均每圈产生的棘 轮应变，k ，、和e ，为棘轮效应褥到的材料常数，以为仪考虑棘轮效应 的疲劳寿命。 同时考虑平均应力和棘轮效成对疲劳寿命的影响，疲势寿命计算公式 为 土+ 土；三f 1 1 6 ) n n * n 。 b o u s s a a 和d a n g 研究了棘轮皮变对疲势寿命的影响【4 7 4 引。验诞了 c o f f i n 鬟出瀚考虑藏轮斑变对疲劳海禽影酾豹袋式，公式袭达为 生：1 一生1 。( 1 - 1 7 ) n m 8 | 1 第一章文献综述 式中占，为疲劳失效时的棘轮应变，勺为材料的延性，c 为疲劳延性指数， 为存在棘轮效应时的疲劳寿命，n 。为单轴循环的疲劳寿命。 1 6 本文的工作及研究意义 1 6 1 本文工作 在微型拉扭疲劳试验机上，利用d e l p h i 编程语言编制试验机程序，实 现试验机的控制和数据采集功能。 在不同应变率下对6 3 s n - 3 7 p b 和s n 0 7 c u 两种钎料进行单轴拉伸和纯 扭试验，分析应变率对钎料的拉伸和纯扭性能的影响。对两种钎料进行纯 扭疲劳试验，分析钎料的疲劳特性。对s n 0 7 c u 进行多轴棘轮试验，分析 钎料的棘轮效应和疲劳寿命。 利用已有的疲劳寿命估算模型对存在棘轮变形的多轴疲劳进行寿命 预测，分析各种模型的有效性。 1 6 2 研究意义 锡铅钎料具有较低的熔点、良好的润湿性、导电性、延展性，是封装 电路板及元器件长期广泛使用的钎料。但是锡铅钎料中的铅具有毒性，使 用无铅钎料将是电子行业的大趋势。锡铜钎料是一种重要的含铅钎料的替 代材料，以其较好的力学性能和较低的成本引起人们的普遍重视。电子产 品的损坏大多是由于焊接点的失效而引起的。电子元件和基板具有不同的 热膨胀系数，因此在工作过程中焊点处会产生应力和应变。处于工作状态 的焊点将受到剪切、拉伸、热疲劳循环和蠕变等作用，研究钎料的力学性 能对焊点的可靠性评估具有重要的意义。 第二章微型拉扭疲劳试验机 第二章微型拉扭疲劳试验机 2 1 试验机主体结构 天津大学化工学院过程装备与控制工程系c a r e ( c o m p u t e ra i d e d r e l i a b i l i t ye n g i n e e r i n gl a b ) 实验室自行设计的微型拉扭疲劳试验机，以电 机作为基本作动单元。具有精度高、响应快、功耗小、易操作等特点，可 以进行小型试件的力学性能试验。微型拉扭疲劳试验机如图2 - 1 所示，主 体结构由框架、横梁、电机、