（化工过程机械专业论文）无铅钎料的纯扭疲劳和多轴棘轮疲劳研究.pdf

摘要 由于锡铅钎料对人体健康和环境造成的危害，无铅钎料取代锡铅钎料成为电 子封装发展的必然趋势。本文选用s n 0 7 c u 和s n 3 a g 0 5 c u 两种目前使用非常 广泛，也是十分具发展前景的无铅钎料作为研究对象，对上述两种钎料在单轴和 多轴加载下的相关力学特性进行了研究。 本文对s n 3 a g o 5 c u 进行了不同应变率下单轴拉伸和扭转实验，分析结果 表明s n - 3 a g o 5 c u 具有很强的率相关性，钎料的拉伸强度和剪切强度随着应变 率的增加明显增加，弹性模量和剪切模量受应变率影响不大。s n 3 a g 0 5 c u 的 多轴棘轮效应实验中，随着剪应变率和轴向应力的增加，棘轮应变率随着剪应变 率的增加明显增大。失效棘轮应变基本一致，与剪切应变幅值无关，失效循环圈 数随着剪应变幅值的增加而减小。对s n 3 a g 0 5 c u 和s n 0 7 c u 两种钎料的纯扭 疲劳试验，研究发现弹性剪应变一疲劳寿命受载荷下降水平影响很小，而塑性剪 应变一疲劳寿命受载荷下降水平的影响十分明显。在较大的剪应变幅值下 s n 3 a g 一0 5 c u 和s n 0 7 c u 的疲劳寿命都很短且相差不大，在剪应力幅值较小时， s n 3 a g - 0 5 c u 的疲劳寿命明显大于s n 0 7 c u 。此外，本文还对s n 3 a g 0 5 c u 进 行了具有棘轮变形的多轴疲劳试验，研究表明轴向应力对剪应力峰值没有影响， 轴向的棘轮应变率随着轴向应力和剪应变幅值的增加而增加，在双对数坐标图 中，棘轮应变率和轴向应力与剪应变幅值成线性关系。疲劳寿命随着轴向应力和 剪切应变幅的增加而降低。 利用现有的多轴低周疲劳寿命预测方法对s n 3 a g 0 5 c u 进行多轴疲劳寿命 预测。等效应变法没有考虑轴向应力的影响，结果偏于危险。临界面法中的k b m 模型对于超过1 0 0 0 的疲劳寿命预测误差较大，w b 模型考虑了法向正应变的影 响，但是对大部分试验给出了偏于危险的预测结果。能量法预测采用了c h x 模 型，预测结果也不理想。考虑棘轮效应的疲劳寿命方法中采用c o 衢n 模型，预测 误差随轴向力增加变大，最大预测偏差达到1 0 倍。g a o c h e n 模型以最大剪应变 和轴向棘轮应变率为损伤控制参量对s n 3 0 a g o 5 c u 的多轴棘轮疲劳试验做出 了很好的预测。 关键词：无铅钎料，棘轮效应，低周疲劳，多轴棘轮，疲劳寿命预测 a b s t r a c t a st h el e a ds o l d e rw i l la f 誓i e c tt h ee n v i r o n m e n ta n dp e o p i e sh e a l t hs e r i o u s l y ；s o t h el e a d f 峙es o i d e r sa r ew i d e l yu s e di nt h ee l e c t r o n i cp a c k a g i n gi n d u s n y t w ot y p e s o fl e a d 舶es o l d e r s ，s n o 7 c ua n ds n - 3 a g - 0 5 c u ，w h i c ha r eu s e dm o s t l ya n dh a sb e s t 如t u r e ，a r ea d o p t e di no u re x p e r i m e n 协lt e s t s s o m eu n i a x i a la n dm u l t i a x i a lt e s t s a r e c a r r i e do u to nt h e s et v 旧l e a d 一行e es o l d e r st og e tm e c h a n i c a lp r o p e r t i e s a l lt h et e s t s w e r ec a r r i e do u tw i t ham i n i t y p em a t e r i a lt e s t e rd e v e l o p e db yc a r el a ba tr o o m t e m p e r a t u r e u n i a x i a l t e n s 1 ea n dp u r et o r s i o n a lt e s t su n d e r d i 拜e r c n ts t r a i nr a t e sw e r ec a r r i e d o u to ns n 3 a g 0 5 c u t l h er e s u l t sh a v es h o 啪t 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 i ds t r e s s ，s h e a ry i e l ds t r e s s ，t e n s i l es t r e n 舀h ，s h e a rs t r e n 班ho ft h es o l d e r sh a v e s t r o n gs t r a i nr 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 仃a nr a t e d e p e n d e n c e m u l t i a x i a lr a t c h e t i n g t e s t sw e r ec a r r i e do u to n s n 3 a g o 5 c u i ti ss h o w nt h a tt h er a t c h e t i n g 蛐r a i nr a t ei n c r e a s e dw i t hs h e a rg t a i n 砌d l i t u d e 卸da x i a ls t r e s s ，w h i l et h el i f ed e c r e a s e d t h es h e a rs t r a i na m p l i t u d e h a dn o e 岱：c to nt h er a t c h e t i n gs t r a i nw h e nt h es o l d e rf a i l e d p u r et o r s i o n a lf - a t i g u et e s t sw e r e c o n d u c t e do ns n 0 7 c ua n ds n 3 a g o 5 c u i tw a sd i s c o v e r e dt h a tt h el o a dd r o ph a d g r e a ti n f l u e n c eo np i a s t i cs 仃a i nv sf a t i g u el i f e ，b u th a dn oi n f l u e n c eo ne l a s t i cs 仃a i n v sf a t i g u el i f e s n 0 7 c uh a ds h o r t e rf i a t i g u el i f et h 粕t h a to fs n - 3 a g o 5 c u b e s i d e s m u l t i a x i a ll o wf a t i g u et e s t s w “ha x i a l r a t c h e t i n g t m i i lw e r cc o n d u c t e do n s n 3 a g o 5 c u ，t h et e s t sr e s u ha p l p e a r e dt h a t s h e a r 仃e s sp e a kk e p tac o n s l t a n ta t d i 旋r e n ta x i a ls 仃e s s t l l er a t c h e t i n gs 仃a i nr a t ei n c r e a s e dw - t hs h e a rt r a i na m p l i t u d e 卸da x i a lt r e s sw h i l et h ef i n a lr a t c h e t i n gs 仃a i nc h a n g e d b e 觚e e n2 0 t 03 0 f o u rm e t h o d sf o rm u l t i a x i a ll o wf a t i g u el i 龟p r e d i c t i o nw e r ea p p l i e dt 0t h e m u l t i a x i a l l o wf a t i g u et e s t so fs n 3 a g - o 5 c u w 弛o u tc o n s i d e r i n gt h er a t c h e t i n g s t r a i l l ，e q u i v a l e n ts t r a i na p p r o a c hw a si m p r o p e rf o rm u l t i a x i a lf 撕g u el i f ep r e d i 嘶o n c r i t i c a i p l a n e印p r o a c h e sg a v e b e t t e rp r e d i c t i o nr e s u l t st h 锄 e q u i v a l e n t s 仃a i n a p p r o a c h ，h o w e v e r ，i tg a v ed a n g e r o u s r e s u l t sw h e no b s e r v e dl i v e sw e r em o r et h a n1o ， e n e r g ya p p r o a c h a l s 0g a v e i m p r o p e rr e s u l t s c o f f i n m o d e l ， w h i c hc o m b i n e s 船t c h e t i n ga n dc y c l i cs 订a i n ，c a np r e d i c tf - a t i g u el i f ew i t hs m a nr a t c h e t i n g ，b u tp r e s e n t s t h ef a t i g u ei i 免p r e d i c t i o n so nn o n c o n s e r v a t i v es i d ei ft h er a t c h e t i n gd e f o 咖a t i o ni s l a r g e t h eg a 0 c h e nm o d e l ，w h i c ha d o p t e dt h em a x i m u ms h e a rs t m i nr a n g e ( ，一) a n da x i a lr a t c h e t i n gs 扛a i nr a 伧( 叠，) a san e wd a m a g ep a r a m e t e r s ，g a v et h eb e s t p r e d i c t i o n k e yw o i m s ：l e a d - 舶es o i d e r ，r a t c h e t i n ge 脓c t ，l o w c y c l ef a t i g u e ，m u l t i a x i a l r a 吐c h e t i n g ，f a t i g u el i f - ep r e d i c t i o n 第一章文献综述 第一章文献综述 1 1 微电子封装用焊锡钎料 1 1 1 锡铅钎料 锡铅钎料即6 3 s n 3 7 p b 锡铅共晶合金，锡铅合金是一种软钎料，也是至今最 常用的一种焊点材料。锡铅钎料之所以在电子工业中长期使用，归因为它有许多 优良的焊接特性。第一，锡铅钎料因为熔点低，共晶温度仅为1 8 3 ，作业温度 不损伤器件，在焊接过程中，由于冶金反应，能与母材金属形成合金而达到牢固 焊接。第二，锡铅钎料有着较强的抗拉强度和剪切强度，大大的改善机械性能； 可以降低表面张力，有利于钎料的润湿性。第三，由于锡铅钎料具有适当的柔软 性，可减缓对钎焊部位的冲击，所以它的焊接性能极佳。第四，s n p b 钎料使用 普通的树脂、焊剂、屏蔽加工设备和廉价的添加物，价格也较便宜。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 等常用的锡铅合金。 然而，锡铅钎料的危害也是显而易见的，铅及其化合物属于有毒物质，长期 使用会给人类生活环境和安全带来较大的危害。铅被人体器官摄取后，将抑制蛋 白质的正常合成功能，危害人体中枢神经，造成精神混乱、呆滞、生殖功能障碍、 贫血、高血压等慢性疾病。铅对儿童的危害更大，会影响智商和正常发育。在当 今众多危害人体健康和儿童智力的罪魁中，铅是危害不小的一位。据权威调查报 告透露，现代人体内的平均含铅量已大大超过1 0 0 0 年前的古人5 0 0 倍【2 1 。然而 人类却缺乏主动、有效的防护措施，此外铅还是一种化学稳定性极高的物质，能 够长期存在于空气、土壤、或水源中，其对环境和人体健康的影响极难在短期内 消除。欧盟在2 0 0 3 年最终通过了关于报废电子电气设备指令( w e e e ) 、关 于在电子电气设备中禁止使用某些有害物质指令限o h s ) 两项法令，于2 0 0 6 年 7 月1 日起施行。我国信息产业部于2 0 0 4 年2 月2 4 曰通过了电子信息产品污 染防治管理办法，其主要内容与欧盟指令类似，并于2 0 0 7 年3 月1 日起施行。 随着相关法令的颁布实施，电子封装技术已进入无铅化时代。 1 1 2 无铅钎料 无铅钎料到现在为止并没有十分严格的定义，目前国际上公认的无铅钎料定 义是：以s n 为基体，添加了a g 、c u 、s b 、i n 其它合金元素，而p b 的质量分数 在0 2 以下的主要用于电子组装的软钎料合金。作为锡铅钎料的替代品无铅钎 料其机械性能相当于或优于作为参照的合金( 6 3 s n 3 7 p b ) 。它的应用性能应与实 第一章文献综述 际的s m t 制造基础设施相兼容，具体要求有以下几个方面1 3 】 无铅钎料的熔点尽量接近s n p b 共晶钎料的熔点。 无铅钎料的润湿性应该能基本达到s n p b 钎料的润湿性。 无铅钎料应有较高的韧性及组织稳定性，抗蠕变，抗热循环疲劳性能。 无铅钎料作为微电子器件连接用的材料应具有良好的导电性、导热性、延 伸率，可抑制接头的过度发热，提高微电子器件的可靠性。 目前研究的主要无铅钎料是s n 基合金【4 1 ，主要是因为s n 成本低，资源丰富， 物理性能( 导热、导电性和润湿性) 合适，易与其它元素合金化。在以锡为基体的 基础上添加a g 、c u 、b i 、z n 、s b 、i n 、稀土等金属元素，通过合金化来改善钎 料合金的性能，提高无铅钎料的焊接性能和力学性能。s n i n 系合金蠕变性差， i n 极易氧化，且成本太高；s n s b 系合金润湿性差，s b 还稍具毒性，因此s n a g 、 s n 0 7 c u 、s n z n 、s n b i 等二元合金钎料的发展较快。 s n 一3 5 a g 系焊料具有优良的机械性能，拉伸强度，蠕变特性及耐热老化性 都比s n p b 共晶焊料优越，延展性比s n p b 共晶焊料稍差，但不存延展性随间加 长而劣化的问题。s n - a g 系焊料，熔点偏高，通常比s n p b 共晶焊料要高3 0 4 0 ，润湿性差，而且成本高。熔点和成本是s n a g 系焊料存在的主要问题。 s n o 7 c u 系合金具有优良的焊接性能，对于手工烙铁焊、浸焊和波峰焊的应 用而言，一般推荐使用s n c u 系二元无铅钎料，主要是s n 0 7 c u 共晶钎料。由 于无铅钎料各组元元素之间的熔点差别很大，因此应该尽可能选用最简单的二元 合金。组元元素越多，就越难形成均匀的显微组织。s n c u 钎料是所有钎料中成 本最低的。但是在所有的无铅钎料中，这种合金可能是力学性能最差的一种，由 于材料的价格低廉，才得到较为广泛的使用。 s n z n 系焊料机械性能好，拉伸强度比s n p b 共晶焊料好，延展性也与s n p b 系焊锡具有相同值，具有良好的蠕变特性，变形速度慢，断裂时间长。z n 的毒 性弱，成本低。若从焊锡合金的机械强度、熔点、成本和毒性等方面考虑，s n z n 系无铅焊锡替代s n p b 系焊锡很合适。缺点是z n 极易氧化，润湿性和稳定性 差，需研制新型助焊剂。 s n b i 在s n 合金里添加b i 的焊料，可以制备从共晶点的l3 9 2 3 2 的熔 化温度范围非常宽的合金。s n 5 8 b i 共晶合金应用于主板封装已经超过2 0 年。 s n b i 系无铅焊锡的特点是熔点低，保存稳定性也好，润湿性没问题。不足之处 在于随着b i 的加入量增大，使焊锡变得硬、脆、加工性能大幅度下降，焊接可 靠性变坏。 实际上二元系合金要成为能满足各种特性的基本材料是不完善的，在其中添 加适量的其他金属元素所组成的三元合金和多元合金可以明显改善钎料的特性。 2 第一章文献综述 目前而言，最吸引人的无铅钎料是s n a g c u 系列。s n a g c u 在s n a g 体系 中，适当加入一些铜，除了熔点有所降低外，还提高了焊接可靠性。良好的可靠 性和合适的工艺参数使得该合金成为线路板贴装时的最佳无铅焊料，美国国家电 子制造联合会和诺基亚公司均推荐该合金为表面贴装无铅焊料。主要配比为 9 3 6 s n 一4 7 a g - 1 7 c u 、9 6 5 s n - 3 0 a g - 0 5 c u 、9 5 5 s n 一4 o a g 一0 5 c u 、9 5 5 s n - 3 8 a g o 7 c u ，日本推荐的则是略经改进的s n a g c u b i 合金，比例为s n 9 6 2 a 9 2 5 c u0 8 一b i 0 5 ，熔点为2 1 7 ，在可靠性和效用性方面与9 5 5 s n 3 8 a g o 7 c u 相当，其 优点是银含量低将降低成本。 s n a g c u 中加入n i g e 后力学性能得到很大改善，s n 3 5 a g 0 5 c u - n i g e 的蠕变断裂寿命是s n 一3 o a g 0 5 c u 的三倍多，n i 的加入让材料的微观组织机构 更加匀称规则，n i 和c u 形成一种化合物使得钎料的寿命大幅提升【5 1 ， s n a g - c u - i n 添加b i ，可以显著地降低熔点，b i 的添加会使得加工性能恶 化，降低合金的剪切强度，降低可靠性。s n a g c u 添加g a l 6 】由于g a 是低熔点 金属，g a 的添加可以降低焊料合金的固液相温度，更重要的是，可以减小焊料 合金的浸润角，从而有利于提高焊料的可焊性。s n 3 5 a g 1 o c u 添加i n 或b i ， 添加i n 可以极大地降低焊料合金的熔点，并且能够提高可焊性；添加b i 也可 以降低焊料的熔点，但却降低了可焊性，i n 、b i 的添加，有利于熔点的降低【7 1 。 s n - z n a g - b i l l ；j 是在s n 基上加入z n 、b i 、a g ，对钎料的性能影响程度如下： 润湿性z n b i a g ，剪切强度a g b i z n ，腐蚀率a g z n b i 。 试验分析，认为s n z n a g b i 钎料的最优成分为：s n 9 1 5 、z n 5 、b i 3 、 a g 一0 5 。 s n c u 基体合金中加人n i 和r e ( 混合稀土元素) 等多种改性元素的方式，全面 改善和提高了钎料的综合性能。微量元素n i 的主要作用在于改变熔融钎料中金 属化合物的形状，避免焊接时出现焊点桥连等缺陷。微量r e ( 混合稀土元素) 可以 改善钎料延伸率、提高焊点的疲劳寿命。 s n a g b i 熔点是2 0 0 2 1 0 ，可靠性良好，可焊性好，抗热疲劳及耐蠕变 性与s n - a g - c u 焊料相当，强度优于s n p b 。由于b i 的添加较大幅度的降低了焊 料的熔点。s n z n 8 一b i 3 由日本n e c 、夏普和富士通等公司研制。研究证实， s n z n 8 b i 3 类无铅焊锡的产品不宜在8 5 和8 5 ( 温度和湿度) 的高温高湿环境 下使用。这是因为在这种条件下z n 会因曝露在焊锡表面而氧化从而导致焊接部 位的强度下降。 1 2 焊锡钎料的力学特性研究 随着现代微电子工业正向高性能和微型化方向发展，焊锡钎料的应用环境使 第一章文献综述 得所需承载的力学、电学和热学负荷却越来越重，对其可靠性的要求日益提高。 由于电子元件和基板具有不同的热膨胀系数，在工作过程中焊点处会产生应力和 应变，焊点将受到明显的剪切、拉伸作用，此外由于其工作环境温度的变化又会 发生热疲劳失效和蠕变失效，钎料在受到不同载荷时所表现出的力学行为受到国 内外众多学者的关注，并做了大量的实验和理论分析工作，为焊锡钎料的力学特 性研究的进一步发展奠定了坚实的基础。 1 2 1 锡铅钎料和无铅钎料的基本力学特性研究 l o we ta j 研究了6 3 s n 3 7 p b 的拉伸和剪切性能。发现焊锡钎料的拉伸、剪 切的屈服强度和极限强度与应变率有关，但是弹性模量和剪切模量表现出率无关 特性。 s o p e r e ta o j 对6 3 s n 3 7 p b 和5 s n 一9 5 p b 进行拉伸和剪切研究，发现在拉伸 和剪切时5 s n 一9 5 p b 的变形小于6 3 s n 3 7 p b 。分析发现损伤参量和累计变形成正 比，提出了一个损伤参量与疲劳寿命关系的模型。 k i me ta 1 【l 1j 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，并分析金属间化合物。发现在9 0 0 小时老化之后，6 3 s n 3 7 p b 和s n 9 7 p b 的最大剪切强度分别减小了2 5 和2 0 。在s n p b 合金中金属间化合物对其性 能有很大的影响。 张莉，陈旭【l2 j 等通过在不同温度和不同应变率内的一系列拉伸实验，研究 6 3 s n 3 7 p b 焊锡钎料的力学特性，发现6 3 s n 3 7 p b 应力应变关系有很强的温度相关 性和率相关性。 陈刚i l3 l 在室温下对焊锡钎料6 3 s n 3 7 p b 进行了单轴、扭转、多轴比例、非 比例应变控制疲劳试验，研究发现，与损伤模型相耦合的o h n o w a n g 模型可以 对各种加载条件下6 3 s n 3 7 p b 的应力应变滞环和峰值应力下降曲线进行十分准 确的预测。通过对率相关a f o w 叠加模型进行修正，可以较好的预测不同应力 值、剪应变幅、加载历史、加载顺序对6 3 s n 3 7 p b 的棘轮变形的影响。 l a n ge ta 1 【1 4 】和z h u e ta i 【1 5 ，1 6 】在不同应变率和温度下研究了无铅钎料 s n - 3 5 a g 、s n 9 6 5 a 9 3 c u 0 5 以及s n 9 9 3 c u o 7 ( n i ) 的拉伸性能。研究发现s n 3 5 a g 的延伸率随着应变率和温度的增大而增大。无铅钎料的流动应力、拉伸强度和屈 服强度随着应变率的增大而增大，随着温度的升高而降低。 s h o h j ie ta l 川研究了s n - a g 、s n a g - c u 、s n a g - b i 三种合金的拉伸性能。研 究发现这三种合金的延性随应变率和温度的变化很小。通过变化应变率试验发现 无铅钎料的应力指数比锡铅钎料的大，并且随温度变化不大。 p a n gc ta 1 1 j 驯研究了一4 0 1 2 5 范围内热循环时s n a g c u 的剪切强度特 4 第一章文献综述 性。实验发现焊点的剪切强度有很强的率相关性和温度相关性。随着温度的升高 剪切强度将降低，试验测得的剪切强度由3 5 m p a 变为8 m p a 。 z h ue ta 1 【1 9 】研究了2 5 到1 2 5 下s n 0 7 c u 钎料的拉伸曲线，发现温度和 应变率对该材料拉伸特性有强烈影响，s e m 观察表明温度的升高会影响微观组 织和断口形貌。 n e ue ta 1 【2 0 1 对两种s n a g 无铅钎料进行了5 5 到1 2 5 下的单轴拉伸、蠕 变、循环等单轴试验，并采用m c d o w e i i 模型对试验结果进行了模拟，结果与试 验数据吻合得很好。 c h a n d r ae ta 1 1 2 l 】等在不同应变率和不同温度下对s n 3 8 a g 0 7 c u 进行了拉伸 力学特性研究，实验发现流动应力和应力强化指数随着应变率的增加而增加，应 力强化指数在高温下有很强率相关性。 s uy a 和t a nl b 【2 2 j 研究了s n 1a g 0 5c u 和s n 4 a g 0 5c u 的率相关力学 特性，加载应变率变化范围为0 0 0 8 8s 。t 05 7 os ，随着应变率的增加，钎料的 机械强度增加。基于试验结果得出屈服应力和极限强度的率相关模型。 t i a ne ta 1 【2 3 】研究了s n 3 0 a 9 0 5 c u 剪切断裂行为的尺寸效应行为，相对大体 积焊料，微体积钎料的力学行为特性差异很大，钎料的剪切强度随着钎料体积的 增加而降低，在老化过程初始阶段剪切强度下降很快，大尺寸钎料表现出脆性断 裂特征，而小尺寸钎料断裂伴随着很大延性。 l o p e ze ta 1 【2 4 】对s n 1 0 a g o 5 c u 进行了压缩应力应变特性研究，在不同温度 不同应变率下进行一系列试验并和s n 3 9 a g o 6 c u 进行了对比，s a c l 0 5 的屈服 应力和模量明显小于s a c 3 9 6 ，受温度影响表现出了不同的行为特点。 1 2 2 锡铅钎料和无铅钎料的疲劳特性研究 s h ie ta l 【2 5 j 和p a n ge ta l l 2 6 】研究了温度和频率对6 3 s n 3 7 p b 和s n 0 7 c u 钎料低 周疲劳性能的影响。发现温度升高时焊锡钎料的疲劳寿命减小，并且受到频率的 影响，随着频率降低钎料的寿命减小。加入温度和频率的影响而修正了预测疲劳 寿命的c o 衔n m a n s o n 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 【27 1 对s n 3 8 a g o 7 c u 和s n o 7 c u 两种无铅钎料进行了低周疲劳试 验，并研究了基于塑性应变幅的c o 伍n m a n s o n 和基于应变能的m o r r c l w 模型， 考虑了温度和频率对疲劳寿命的影响后利用上述两种模型对疲劳行为进行描述。 k a n c h a n o m a ie ta p 】研究不同应变率加载下6 3 s n 3 7 p b 的低周疲劳特性，研 究发现其疲劳寿命和应变率是s 型关系。 l ie ta l i 四j 研究了6 2 s n 3 6 p b 2 a g 在剪切应力作用下低周疲劳性能。焊点失效 是疲劳和蠕变共同作用的结果。在低应力幅时，失效主要是由疲劳引起的，而高 5 第一章文献综述 应力幅时则主要是蠕变引起的。 p a n ge t “3 0 j 研究了6 3 s n 3 7 p b 在热疲劳循环后微观结构的变化以及它对剪 切和疲劳的影响。研究发现钎料的微观组织变粗糙了，由于金属问化合物不断生 长最终造成了焊点的剪切和疲劳强度随着热循环的增长而降低。 陈旭等f 3 l 3 2 】对6 3 s n 3 7 p b 钎料进行了一系列单轴、多轴非比例循环加载下 的疲劳试验。通过几个模型的比较表明c h e n x u h u a n g 模型能很好地描述材料 的多轴非比例加载的行为。 s o l o m o n 例研究了在3 5 和1 5 0 时9 6 5 s n 3 5 a g 合金的低周疲劳特性，发 现在塑性应变在1 1 0 范围内时，其疲劳寿命比6 0 s n 4 0 p b 和9 2 5 p b 2 5 a g 5 o s n 大，当塑性应变小于1 0 ，加载频率恒定时，其流动应力比6 0 s n 4 0 p b 和9 2 5 p b - 2 5 a g - 5 o s n 都要小。在不同失效定义时9 6 5 s n 3 5 a g 合金的降载曲线是平行的。 a n d e r s s o ne ta 1 州在室温下对s n 3 7 p b 、s n 3 5 a g 和s n - 4 o a g 一0 5 c u 焊点和 钎料的低周疲劳性能进行了研究。结果表明在高应变率下钎料的疲劳性能比焊点 好，然而在低应变率下情况恰好相反，而且无铅钎料的疲劳性能优于锡铅钎料。 k a n d ay ：和k a r i y ay 例对s n 3 o a g 0 5 c u 在不对称加载波形下进行了低周疲 劳试验，研究表明非对称加载波形没有显著降低初始裂纹阶段的疲劳寿命，在低 应变幅值下疲劳寿命的减小是由于疲劳延性指数的增加造成的。 j o n gw r 和l a uc c i 珀j 对s n 一3 9 a g 一0 6 c u 进行了温度加载下的疲劳寿命分 析，考虑高温和低温时停留温度、温度加载率、高温低温停留时间五个主要因素， 研究发现当疲劳寿命采用蠕变应变幅值分析时，主要影响因素是温度范围，当采 用累积蠕变能量密度分析疲劳寿命时，主要影响因素是低温停留时问和温度加载 率。 z h a n gq k 和z h uq s 1 3 7 j 等对含铜无铅钎料进行了一系列单轴和循环加载 下的疲劳试验，考察了钎料疲劳断裂行为，加载方向与焊料接触面垂直时，疲劳 裂纹起始于接触面处，并对于疲劳失效机理和影响因素进行了讨论。 t u n g ak 和s i t a r a m a ns k 【3 8 】对s n 4 o a g o 5 c u 的疲劳裂纹产生和发展的疲劳 寿命预测模型进行了改进，模型不仅考虑了累积应变的影响，而且还考虑了钎料 的正常应变，试验结果和预测结果吻合很好。 1 3 棘轮效应 材料在循环加载时，由于平均应力的存在，导致塑性应变沿平均应力方向积 累，这种应变积累称为棘轮应变或棘轮效应( r a t c h e t i n g ) 。棘轮效应是在应力控制 循环加载下二次变形的累积，它是工程实际中需要考虑的一个重要问题，如：化 工容器及管道的热棘轮，核反应堆的防震设计，轮轨接触疲劳、紧固连接和密封 6 第一章文献综述 技术等工程问题。棘轮应变的积累可能导致疲劳寿命的减少，或超过变形的限制 而使结构不能正常工作，由于一次载荷大小的不同，应变经过一个快速初始棘轮 应变累积后，将可能出现安定或渐进棘轮效应两种情况。较低的应力幅，对应着 经过瞬时棘轮效应后，棘轮应变将趋近于安定，随着应力幅值的增加，安定棘轮 效应将发展为渐进棘轮效应。 根据应力状态的不同，棘轮效应可分为单轴棘轮效应和多轴棘轮单轴棘轮 效应是指在平均应力方向上产生的循环塑性应变累积，产生原因主要是由于应力 应变滞环的不封闭性；多轴棘轮效应是指材料在承受多轴载荷作用下产生的棘轮 效应，产生棘轮效应的方向可以是一个方向，也可能是多个方向，这不仅和平均 应力有关，也和加载的历史和路径有关【3 引。本文中对于棘轮效应的研究主要涉 及棘轮影响因素和棘轮疲劳交互作用两个方面。 1 3 1 棘轮效应影响因素研究 对于棘轮影响因素的研究，主要涉及应力幅值、平均应力、加载速率、应力 应变历史、温度、材料的率相关性和材料的循环软化及硬化特性等方面。h a s s 锄 e t a l 1 4 0 j 通过对c s l 0 2 0 和c s l 0 2 6 钢进行的棘轮试验表明，应力幅不变时，增加平 均应力将导致棘轮应变率提高。j i a n ge t a l 首次对多载荷步10 7 0 钢的棘轮效应 进行了试验研究表明加载历史对材料后续棘轮效应产生很大的影响。s a k a n e 和 m a s a o 掣4 2 j 对s u s 3 0 4 不锈钢和a 1 0 7 0 铝合金在多轴应力状态下的循环棘轮行为 进行研究发现棘轮应变与材料特性和加载波形有关。k a n 和k a n g 等【4 3 】对s s 3 0 4 不锈钢在室温下进行非比例多轴加载下的棘轮行为，考虑应力率、停留时间和加 载路径的影响，研究发现棘轮行为有很强的时间相关性，棘轮的主要影响因素不 仅包括应力率还有停留时间。z h a n g 和c h e n i 删对聚四氟乙烯在室温下进行了多 轴棘轮行为的研究，重点考虑了轴向应力、剪应变幅值、剪应变率和加载历史的 影响，结果发现棘轮应变随着轴向应力和剪应变幅值的增加快速增加，随着剪应 变率的增加而降低。王红缨等【4 5 】等进行了核压力容器用钢的热棘轮效应特性测 试，研究发现热棘轮现象与初级应力和次级应力的比值密切相关，工程实际中构 件是否产生热棘轮效应完全取决于其受力状态及其工作环境。h a s s a l l 和 k y r i a k i d e s 【舶，47 l 对循环强化和循环软化材料的棘轮效应进行了研究，循环强化使 棘轮效应减小，循环软化使棘轮效应增强。 对于锡铅和无铅钎料的棘轮效应影响因素研究有很多学者做了大量的工作， 主要涉及不同钎料在单轴和多轴加载下的棘轮特性研究。 c h e nx 和y ud h 1 4 副等对于锡铅钎料6 3 s n 3 7 p b 进行了单轴和多轴棘轮实 验，研究发现在单轴和多轴加载下6 3 s n 3 7 p b 均表现出明显的循环软化的特性， 第一章文献综述 即使低水平的应力值也能产生很大的棘轮应变，棘轮应变率保持恒定没有出现加 速衰减阶段，棘轮应变和棘轮应变率随着轴向应力和剪应变幅值的增加而增加， 加载历史和加载次序对于棘轮行为没有明显的影响，轴向棘轮应变率随着剪应变 率的降低而增加。 c h e ng 和c h e nx 【4 9 j 在室温下研究了6 3 s n 3 7 p b 的单轴棘轮实验，重点考察 了加载率的影响，分析了应力幅值、平均应力、加载历史对于棘轮行为的影响， 研究发现棘轮应变幅值和棘轮应变率随着应力幅值的增加而增加，加载历史和加 载次序对于棘轮应变有着很大影响。 k o b a y a s h it 和s a s a k ik 对s n 3 a g 一0 5 c ua n ds n 3 7 p b 两种钎料进行不同 应力幅值和应力率下的单轴棘轮试验，利用e s t r i ne ta l 提出的基于位错理论的本 构模型进行棘轮变形的模拟。研究表明棘轮变形受到应力幅值和应力率的影响， s n 3 7 p b 的棘轮变形要大于s n 3 a g 0 5 c u 。 g a o 和c h e n l 4 2 j 在室温下对无铅钎料s n 3 5 a g 进行了单轴棘轮效应试验以及 一系列多轴棘轮效应试验，单轴棘轮效应实验表明当平均应力足够大时，在非对 称应力循环下会产生明显的渐进的棘轮效应，加载历史和加载路径对棘轮效应有 影响，由于轴向应力的存在使得材料产生了蠕变，因而棘轮应变随着停留时间的 增加而增大，在多轴加载情况下，应变率对棘轮应变率的影响很大。棘轮应变率 随着剪切应变率的增大而减小。 1 3 2 棘轮疲劳研究 金属材料和焊锡钎料受到循环载荷的作用而发生疲劳失效的过程中，在单轴 或多轴载荷作用下多伴随棘轮变形的交互作用，因此对于存在棘轮变形的疲劳失 效过程研究也引起国内外许多学者的重视。 l i u 和k a n g 等l j 对退火4 2 c r 】o 钢进行了单轴棘轮和棘轮疲劳交互作用下 行为特性，由于不对称循环应力产生的棘轮变形使得材料的疲劳寿命降低，低周 疲劳寿命取决于平均应力、应力幅值和最大最小应力比，基于试验结果提出了基 于最大应力和应力比的疲劳失效模型，并在改进模型中引入棘轮变形的影响，对 于非对称加载循环应力加载下的疲劳试验给出了很好的预测结果。 k a n gq z 等峰2 j 对4 2 c r l o 退火钢进行了比例和非比例多轴循环加载试验， 获得了不同的应力水平和加载路径下的多轴棘轮应变和疲劳寿命。由于材料循环 软化和硬化特性，调制刚和退火钢的棘轮应变和疲劳寿命有着很大差别，多轴棘 轮应变的演化加载路径有很大的相关性，多轴棘轮疲劳寿命小于单轴棘轮疲劳并 与与多轴加载路径有关，棘轮应变的产生导致材料的疲劳寿命减小。 l i mc b 和k i mk s p j j 在室温下对铜合金进行应力控制疲劳试验，研究发现 8 第一章文献综述 棘轮应变曲线和蠕变曲线类似何以划分为三个阶段：初始阶段、恒速阶段、加速 阶段。恒速段棘轮应变率和棘轮应变随着平均应力和应力幅值的增加而增加，s n 曲线法和s w t 平均应力模型对疲劳寿命给出了很好的预测。 d a t es e t a l 【剐对3 16 f r 不锈钢进行了一系列疲劳和蠕变疲劳试验，以研究 棘轮变形对疲劳和蠕变疲劳寿命的影响，研究发现在较小应变幅值下拉伸棘轮应 变能够显著降低疲劳寿命，压缩棘轮没有降低疲劳寿命。 c h e ng 和c h e nx 【”1 在室温下对s n 0 7 c u 进行了具有棘轮变形的多轴疲劳 试验，实验采取恒定的轴向应力，扭转方向采用对称循环加载，研究发现钎料的 疲劳寿命随着轴向应力和剪应变幅值的增加而增加。利用c o 币n 模型提出了考虑 棘轮效应的寿命预测方法，对s n o 7 c u 疲劳寿命进行预测，预测结果均在2 倍 的分布带内。 g a o 和c h e n l 4 2 j 在室温下对无铅钎料s n 3 5 a g 进行了一系列多轴棘轮疲劳试 验，实验发现疲劳寿命与轴向应力和将应变幅值对疲劳寿命有很大影响，利用考 虑棘轮效应的寿命预测方法没有给出很好的预测结果，提出了考虑棘轮应变率 的g a o - c h e n 模型，对于实验结果给出了很好的预测。 1 4 疲劳寿命预测 在现代工业各个领域中，大约5 0 9 0 以上的结构强度破坏都是由于疲劳 破坏造成的。因此材料和结构的疲劳失效问题愈来愈受到人们的重视，在微电子 封装领域，焊接钎料作为焊接连接结构受到拉压、剪切、热循环等多重载荷作用 下也会产生疲劳失效的问题，因此对于疲劳寿命的预测显得尤为重要。 由于材料受到载荷形式复杂，影响因素较多，所以对于材料疲劳寿命的预测 存在一定的困难和挑战。目前而言对于材料的多轴低周疲劳损伤累积和寿命预测 取得进展较大，主要有四种方法：等效应变法、能量法、临界面法和考虑棘轮效 应的寿命估算方法。 1 4 ，1 等效应变法 对于低循环疲劳问题，应变是寿命估算的主要控制变量。对于单轴的拉压低 周循环疲劳问题，c o 衔n 和m a n s o n 【5 6 ，5 7 1 提出了著名的c o 街n m a n s o n 寿命预测模 型，其表达式如下： 孥：占；( 2 f ) c ( 1 1 ) 式中，矗为疲劳延性系数，c 为疲劳延性指数。 将c o 衔n m a n s o n 公式进一步修正， 推广到多轴低周疲劳，其表达式为 9 第一章文献综述 睾= k ( 2 f ) 。 ( 1 2 ) k 和d 为材料常数，g 。o 为等效应变，它可以是八面体剪应变，最大剪应变、 最大正应变、m i s e s 等效应变以及最大总应变等。 s o l o m o n 【3 3 】对6 0 p b 4 0 s n 进行了大量的剪切疲劳试验，提出塑性剪应变幅和 疲劳寿命的关系表达式为 7 p 睇= 秒( 1 3 ) 式中炸为塑性剪切应变范围，为疲劳寿命，秒为疲劳延性系数，口为材料常 数。将c o 衔n m a n s o n 公式与b a s q u i n 公式结合，即考虑弹性变形对疲劳寿命的 影响，其表达为 全 ：垒 + 全：王( 2 ，y + 占；( 2 ，y ( 1 4 ) f 、71、i， 。 式中占、占。和s 。分别为总应变、弹性应变和塑性应变变程，e 为弹性模量， 口；和s ；分别为疲劳强度系数和疲劳延性系数，6 和c 分别为疲劳强度指数和疲 劳延性指数，f 是疲劳寿命。 由于等效应变法忽略了应力和应变在变形过程中的交互作用，而且这些等效 应变和寿命间的关系缺乏物理基础，不能反映与路径相关的材料响应，且不宜用 于处理非比例加载的情况，应用等效应变法估算多轴低周循环疲劳寿命仍有不足 之处。 1 4 2 临界面法 临街面法是基于破坏面及面上的应力应变关系建立起的多轴疲劳失效预测 方法。这种方法需要选择临界面和确定损伤参量，不仅要分析临界面