材料可靠性研究及寿命预测--研究方法及实例

内容大纲
1
可靠性及其相关概念
2
可靠性设计的延伸
3 老化设计方案实例
4
可靠度及寿命评估计算实例
3. 老化设计方案实例
何为 老化 ？
材料在加工、贮存和使用过程中，由于受 内外因素的综合作用，其性能逐渐变坏，
以致最后丧失使用价值的现象。
3. 老化设计方案实例
影响材料老化性能的主要因素 光 热 水 化学物质
3. 老化设计方案实例
腐蚀不同时间后Zn截面形貌
48 h (a), 96 h (b), 144 h (c), 192 h (d) , 240 h (e)
3. 老化设计方案实例
腐蚀不同时间去除腐蚀产物后Zn表面形貌
48 h (a), 96 h (b), 144 h (c), 192 h (d) , 240 h (e)
3. 老化设计方案实例
结论：
1) 降雨喷淋试验方法可以较好的模拟酸雨大气环境，试验过程中降雨量大小和雨滴的粒 径均可控制，近似真实降雨环境； 2) 腐蚀产物为片状，以不同的角度附着在基体表面。锈层的厚度则随着腐蚀时间的延长 先增加后减小，锈层厚度减小后，Zn 在含Cl−的环境中更易腐蚀，从而使得基体表面有 点蚀坑的出现； 3) Zn 表面锈层对Zn 的具有一定的保护性，但呈现先增强后减弱的现象。
未添加回料
51
49
52
55
54
添加5%回料
25
33
25
36
29
添加10%回料
28
27
34
34
30
添加20%回料
32
28
27
30
25
3. 老化设计方案实例
例2：添加回料产品性能测定 材料：PP 采用PV 3952进行刮擦测试，测定其L值变化。
D65/10 SCI
测试前 L
测试后 L
△L
未添加回料
27.64
了解测试中样品性能的变化， 是进行可靠性设计及寿命评估的
重要依据！
2.可靠性设计的延伸
常规老化试验设计方法：
进行寿命预测评估 • 确定评价指标 • 采用Arrhenius公式进行可 靠性试验的外推
k Aexp( Ea ) RT
k —— 玻尔兹曼常数 R —— 摩尔气体常量 T —— 热力学温度 Ea —— 表观活化能 A —— 频率因子
1
可靠性及其相关概念
2 可靠性设计的延伸
3
老化设计方案实例
4
可靠度及寿命评估计算实例
2.可靠性设计的延伸
成品
元器件
原材料
各类样品，在可靠性设计方面关注的点不同，设计中各实验参数的意义也不同。
可靠性设计
老化实验
2.可靠性设计的延伸
常规老化试验设计方法：
准备样品 选择测试场所及设备 设定测试参数 定期取样测试性能 进行寿命预测评估
制定分析方法
失重
形貌
成分
电化学
3. 老化设计方案实例
腐蚀不同时间后的XRD图
随腐蚀时间的延长，锈层主要 成分的演化过程为由部分产物 ZnSO4 和Zn(OH)2 逐渐的转化 为Zn5(OH)8Cl2·H2O 和 Zn4SO4(OH)6·3H2O。
3. 老化设计方案实例
腐蚀不同时间后的表面形貌
48 h (a), 96 h (b), 144 h (c), 192 h (d) , 240 h (e)
内容大纲
1
可靠性及其相关概念
2
可靠性设计的延伸
3
老化设计方案实例
4 可靠度及寿命评估计算实例
4. 可靠度及寿命评估计算实例
试验条件：光电二极管，65℃ 120Hrs 3pcs，测试后样品无故障
需求：折算样品在常温条件（20℃ 60%RH）下，60%的置信度下的使用寿命
第一步：找到计算公式：使用寿命MTBF＝Ttot/( N*r)；
1) Ts
RH
2 s
-
RH u 2
计算得出：A=e4.23=69
60%的置信度下，MTBF＝Ttot/(N*r) ＝（3*120*69）/(1*0.92)h，结果即
3
老化设计方案实例
4
可靠度及寿命评估计算实例
1.可靠性及其相关概念
可靠性 可靠度函数
可靠性设计
产品在规定的条件下和规定 的时间内，完成规定功能的能力。
产品在规定时间t内和规定的条件 下，完成规定功能的概率。
在产品设计过程中，为消除产品 的潜在缺陷和薄弱环节，防止故 障发生，以确保满足规定的固有 可靠性要求，所采取的技术活动。
2.可靠性设计的延伸
常规老化试验设计方法：
选择测试场所及设备，设定试
验参数
• 由样品的存储和使用环境确定： 测试设备和条件的正确选择，是
进行可靠性设计及寿命评估的
自然环境
必要条件！
人工环境
2.可靠性设计的延伸
常规老化试验设计方法：
定期取样测试性能 • 由样品评价指标决定：
关键性能 结构表征 试验周期
N为失效数（当没有产品失效时N取1）； r为对应的系数（取值与失效数与置信度有关）； Ttot为总运行时间=测试样品数量×测试时间×加速倍数A；
第二步：确认加速因子，选定A值计算公式；
第三步：找到可靠性测试的数据及对应的激活能（Ea）：
3个样品在60℃下贮存120Hrs时没有失效发生；采用Bellcore 推荐的Ea，为0.7eV；
的温度值，单位K。
4. 可靠度及寿命评估计算实例
试验条件：光电二极管，65℃ 95%RH 120Hrs 3pcs，测试后样品无故障 需求：计算得到从65℃/95 %RH 到20℃/60%RH 的加速倍数是多少？
此时需综合考虑温度及湿度的影响：
Arrhenius模型
A
exp
Ea k
( 1 Tu
单位时间发生的频率为：
1.可靠性及其相关概念
• 产品失效的盆浴曲线
1.可靠性及其相关概念
• 进行可靠性设计时要遵循以下原则：
– 冗余设计 – 降额设计 – 元器件的选择和控制 – 静电防护设计 – 电磁兼容设计 – 热设计 – 振动冲击防护设计 – 防潮、防盐雾和防霉菌”三防“设计……
内容大纲
A
exp
Ea k
( 1 Tu
1 Ts
)
A ——加速因子； Ea ——析出故障的耗费能量，又
称激活能，不同产品的激
活能不同，一般值在
0.3ev~1.2ev之间； k ——玻尔兹曼常数，
等于8.62×10-5eV/K； Tu ——使用条件下(非加速状态下)
的温度值，单位K； Ts ——测试条件下(加速状态下)
热/水
采用高低温、温湿度、快速温 变、冷热冲击测试设备模拟
测试的样品数量很重要，测试 中样品状态确定
测试后评价样品外观、颜色、 光泽、附着力变化等。
3. 老化设计方案实例
3. 老化设计方案实例
3. 老化设计方案实例
例2：添加回料产品性能测定 材料：PP 验证项目：拉伸性能、悬臂梁冲击性能
未添加回料
拉伸强度 MPa
24.5
断裂伸长率 %
52
添加5%回料
24.8
30
添加10%回料
25.1
31
添加20%回料
25.2
28
悬臂梁冲击 kJ/m2 5.3 5.1 5.1 5.1
3. 老化设计方案实例
例2：添加回料产品性能测定 材料：PP 同一参数每组数值的重现性如何？
断裂伸长率/%
01
02
03
04
05
如何进行测试前详细规划？ 寿命预测与实际应用不符合？
2.可靠性设计的延伸
常规老化试验设计方法：
准备样品 • 样品的基本信息：
包括主要组成、用途等 • 样品的存贮及使用环境 • 拟测试的内容：
测试项目、试样数量、测试 周期、测试前中后样品检查
对样品的详细了解，是进行 可靠性设计及寿命评估的
首要条件！
1.可靠性及其相关概念
• 失效率函数λ(t)
– 已工作时刻t尚未失效的产品中，在时刻t后单位时 间内失效的概率称为该产品在时刻t的失效率函数。
简称失效率，记为λ(t) 。
若在t=0时有N个产品开始工作，到时刻t有n（t）个产品失效，还有N-n(t)个 产品在继续工作，为了考虑t时刻后产品的失效情况，再继续观察Δt时间。假 如在时间(t,t+Δt)内又有Δn个产品失效，那么在时刻t尚有N-n(t)个产品继续 工作的条件下，在时间(t,t+Δt)内失效的频率为：Δn/[N-n(t)]
28.44
0.80
添加5%回料
27.54
28.77
1.23
添加10%回料
27.66
29.17
1.51
添加20%回料
27.65
29.23
1.58
3. 老化设计方案实例
刮擦实例
3. 老化设计方案实例
化学 物质
采用气体腐蚀、盐雾测试设备 模拟
测试样品数量及测试时间间隔 的确定
腐蚀物评定
3. 老化设计方案实例
3. 老化设计方案实例
采用氙灯/碳弧灯/金属卤素灯/ 紫外灯测试设备模拟
光
测试时间间隔及结果表征方式
的确定
光老化前后测定其力学性能变 化，如拉伸强度、断裂伸长率、 冲击强度等
3. 老化设计方案实例
3. 老化设计方案实例
例 1：ABS材料光老化设计方案
氙灯老化测试条件：BPT
63℃
箱体湿度 65%RH 辐照强度 1000W/m2@(300~800)nm 测试时间 0h、24h、48h、72h、96h 测试后，评价其灰卡等级、拉伸性能及缺口冲击性能变化。
LMHHHHHMLMHH H
MHMMMHMMMMHM L
有机酸
L L MMMMMH L L MM
臭氧
MNMMMMMM L L MMM
H--高度敏感，M--中度敏感，L--低度敏感，N--不敏感
3. 老化设计方案实例
汽车产品腐蚀试验方法的选择 盐雾试验（针对无机镀层、有机涂层零件） 冷凝水/水雾试验（针对有机油漆涂层零件） 气体腐蚀试验（针对钢合金、无机覆盖层、油漆涂层零件） 腐蚀膏试验（针对装饰性铬层、铜-镍-铬镀层、镍-铬镀层零件） 整车道路强化腐蚀试验（综合性考核整车及其零件）
材料可靠性研究及寿命预测
-- 研究方法及实例
深圳信测标准技术服务股份有限公司 苏州市信测标准技术服务有限公司
殷瑛 winnie.yin@
内容大纲
1
可靠性及其相关概念
2
可靠性设计的延伸
3
老化设计方案实例
4
可靠度及寿命评估计算实例
内容大纲
1 可靠性及其相关概念
2
可靠性设计的延伸
3. 老化设计方案实例
例3：如何设计老化试验探讨酸雨对镀锌钢板的腐蚀机理？
制备试验样品 确定测试条件
酸雨溶液成分 （单位：mg/L）
(NH4)2SO4
NaF
203.9
17.2
KNO3 117.8
MgSO4 33.0
CaCl3 363.3
pH 2.52~5.38
测试温度：35℃；喷雾时间：2hours；干燥时间：2hours 取样时间：48h、84h、132h、180h、228h 或 48h、96h、144h、192h、240h
注塑或冲压标准样条
3. 老化设计方案实例
材料物理性能测试，离散性大时，结果如何处理？
拉 伸 强 度
/ MPa
3. 老化设计方案实例
注塑工艺对测试结果的影响？ 材料：PP 标准推荐的注塑温度：200℃~230℃
工艺1（200℃） 工艺2（215℃） 工艺3（230℃） 工艺4（240℃） 工艺5（250℃）
第四步：计算在温室下的运行时间： ①因为没有样品失效，所以N＝1； ②r取0.92（60%的置信度）或2.30（90%的置信度）； ③Tu为293K，Ts为338K； ④计算得到从60℃到20℃/60%的加速倍数A为40； ⑤60%的置信度下，MTBF＝Ttot/(N*r)
＝(3*120*40)/(1*0.92)，结果即为2年。
热变形温度 /℃ 72 69 70 / /
弯曲强度 /MPa 27.9 27.6 27.9 23.6 23.4
弯曲模量 /MPa 976 978 967 813 813
拉伸强度 /MPa 28.9 29.0 29.1 26.3 25.9
断裂伸长率 /% 650 690 710 690 670
3. 老化设计方案实例
3~4级
3级
3级
3级
灰卡等级
3. 老化设计方案实例
论文节选：涂装材料及制品在湿热、亚湿热环境自然大气暴露及与人工加速试验相关性 --- 梁星才 刘奎方
氙灯 AA
UV
氙灯 S
UV
海南站 9倍 18倍 62倍 38倍
氙灯 AA
UV
氙灯 S
UV
广州站 10倍 21倍 55倍 34倍
3. 老化设计方案实例
3. 老化设计方案实例
材料对大气腐蚀性组分的敏感性
腐蚀性组分
Ag
Al 黄铜 青铜 Cu Fe
Ni
Pb
Sn
焊 料
钢
Zn 石头
CO32NH4NO2 H2S SO42Cl-
L
L
MLM
MM
Байду номын сангаас
ML L LML L L L L L L
N L MMMMMM L MMM L
H L MMH L L L L L L L
当温度变化很大时，会产生非Arrhenius行为，此时，需修正公式：
k BT n exp( Ea ) RT
ksum
k1
k2
A1
exp(
Ea1 RT
)
A2
exp(
Ea 2 RT
)
2.可靠性设计的延伸
老化试验设计中存在的问题：
以使用性能为唯一评价指标 以一个样品代表一类样品 对复合环境的考量欠缺 对加速因子的评估缺失