戚龙 潘婷

(陕西电器研究所,陕西西安 710065)

加速寿命试验综述

戚龙 潘婷

(陕西电器研究所,陕西西安 710065)

加速寿命试验作为可靠性试验的一个组成部分,是控制、提高产品可靠性的常用方法。现代产品开发需求促进了加速寿命试验技术的产生与发展。本文介绍了加速寿命试验的前提、分类及常用的加速模型,并在最后总结了加速寿命试验的难点在于加速寿命模型的建立。

寿命 加速 模型

寿命试验是一种重要的可靠性试验，是对产品的可靠性进行测试、分析和评价的一种常用方法。随着元器件水平的迅速提高，高可靠、长寿命的产品越来越多，在正常应力水平下进行寿命试验来评定产品的可靠性已不能满足实际需要，代价很高，不现实。目前广泛采用了加速寿命试验。加速寿命试验是为缩短试验时间，在不改变故障模式和故障机理的条件下，用加大应力的方法进行的试验。

美罗姆航展中心1967年首次给出了加速寿命试验的统一定义：加速寿命试验是在进行合理工程及统计假设的基础上，利用与物理失效规律相关的统计模型对在超出正常应力水平的加速环境下获得的可靠性信息进行转换，得到试件在额定应力水平下可靠性特征的可复现的数值估计的一种试验方法。加速寿命试验采用加速应力进行试件的寿命试验，从而缩短了试验时间，提高了试验效率，降低了试验成本，其研究使高可靠长寿命产品的可靠性评定成为可能。

70年代初，加速寿命试验技术进入我国，立即引起了统计学界与可靠性工程界的广泛兴趣，一直处于边研究边应用的状态。目前加速寿命试验技术应用范围涉及军事、航空、航天、机械、电子等诸多领域。

1 加速寿命试验的基本前提

(1)失效机理的一致性。失效机理的一致性是指在不同的应力水平下产品的失效机理保持不变。通常，失效机理的一致性是通过试验设计保证的，即要求加速寿命试验中的最高应力等级不能高于产品的破坏极限。

(2)失效过程的规律性。失效过程的规律性是指产品寿命与应力之间存在一个确切的函数关系式，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应力水平下产品的寿命服从同一分布，这是寿命数据处理的基本前提。

2 加速寿命试验类型

(1)恒定应力加速寿命试验。恒定应力加速寿命试验如图1所示，简称恒加试验。图中，t表示试验时间，S表示试验应力，×表示样品失效。试验过程中，选定一组高于正常应力水平S的加速应力水平S1＜S2＜…＜Sn，将一定数量的样品分为n组，每组样品在彼此独立的应力水平下进行寿命试验，直到各组均有一定数量的样品发生失效为止。

(2)步进应力加速寿命试验。步进应力加速寿命试验如图2所示，简称步加试验。步加试验是选定一组高于正常应力水平的加速应力水平S1＜S2＜…＜Sn，试验开始时，先将一定数量的样品置于S1应力下进行试验，经过t1时间，把应力提高到S2。应力下未失效的样品在S2应力下继续进行试验，如此重复下去，直到在Sn应力下有一定数量的样品发生失效为止。

(3)序进应力加速寿命试验。序进应力加速寿命试验如图3所示，简称序加试验。序加试验施加的应力水平随时间连续变化，最简单的就是图3所示的线性上升，此外还有许多复杂的应力施加方式，如循环应力、弹簧应力、三角函数应力等。序加试验的特点是应力变化快，失效也快，因此序加试验需要专用设备跟踪和记录产品失效。

3 常用加速试验模型

3.1 阿伦尼斯(Arrhenius)模型

当用温度作为加速应力时，因为高温能使产品(电子元器件、绝缘材料等)内部加快化学反映，促使产品提前失效。其评估模型采用阿伦尼斯模型。

式中： N表示温度为 T时的寿命特征; A是一个常数，表示受试产品由实验决定的常数; E为激活能，与材料有关，单位eV; K为玻耳兹曼常数，为; T为绝对温度，从而 E/ K的单位是温度，故又称 E/ K称为激活温度。

为了简化统计分析，对阿伦尼斯模型作对数变换，两边同时取对数，则对应的加速模型就变为线性模型，从而易于对加速模型中的待估常数进行统计推断，该线性变换的阿伦尼斯模型为：

其中， a=lnA， b=E/ K，它们是待定的参数。

3.2 逆幂律模型

当环境应力为非热应力(比如受电、载荷、腐蚀介质影响)时，譬如，加大电压亦能促使产品提前失效。其特征寿命与应力之间符合下式：

式中： N是某寿命特征，如中位寿命、平均寿命、特征寿命等; A是一个正常数; c是一个与激活能有关的正常数;是应力，常取电压。上述关系称为逆幂律模型，它表示产品的某寿命特征是应力的负次幂函数。假如对上述关系两边取对数，就将逆幂律模型线性化，即得：

其中， a=lnA， b=-c。它们是待定的参数。

图1 恒加应力

图2 步加应力

图3 序加应力

3.3 Coffin-Manson模型

Coffin-Manson模型反映产品在热循环应力作用下导致的疲劳失效，也被成功用于模拟焊点受到温度冲击后的裂纹扩展过程，因此可应用于描述产品热疲劳失效与温度循环应力的关系。

Coffin-Manson模型的一般形式为：

其中， N为循环周次; ΔT为温变范围; f为循环频率; Tmax为最高温度; Ea为激活能;; δ;1β、2β为待定系数。

Coffin-Manson模型考虑了温度范围、循环频率(与温变率有关)、最高温度等多种因素，可以充分描述温度循环加速寿命试验的寿命与环境剖面的关系。但是，该模型待定参数较多，对温度范围、循环频率和最高温度都进行加速。

当温变范围和最高温度都不变，只提高温变率时，则Coffin-Manson模型可以简化为，取对数后可以转化为线性模型：

3.4 应力寿命加速模型

根据强度理论，疲劳曲线在其有限寿命范围内的曲线方程为：

对数变换后得：

式(1)中： m， C为材料常数; S为应力幅值; N为应力幅值 S时的破坏循环数。

3.5 广义艾林模型

如果以温度和电压同时作为加速应力时，Classtene、Laidler、Eyring在1941年提出一个加速模型：

其中 N是某寿命特征; A、 B、 C和 D是待定的常数; K是波尔兹曼常数，为。将上式线性化简化后可得：

4 结语

随着市场竞争的愈加激烈，新产品研制日益呈现周期紧、费用控制严格的局面，这对可靠性工程研究提出高效性和经济性要求，由于加速寿命试验能够大大的缩短研究周期，降低成本，因此加速寿命试验技术具有更广阔的应用前景。但对于加速模型(尤其是多因素复合加速模型)的确立，我国还处于起步阶段，需要大量的工作在这个方向，这成为了制约加速寿命试验技术推广的主要障碍。

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戚龙(1982—),男,汉族,山东泰安人,硕士研究生,主要研究领域：薄膜传感器开发及其可靠性研究;

潘婷(1985—),女,汉族,陕西西安人,硕士研究生,主要研究领域：薄膜传感器工艺技术开发。