材料可靠性研究及寿命预测

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1、材料可靠性研究及寿命预测材料可靠性研究及寿命预测 - 研究方法及实例研究方法及实例 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 殷瑛殷瑛 内容大纲 可靠性及其相关概念 1 可靠性设计的延伸 2 老化设计方案实例 3 可靠度及寿命评估计算实例 4 内容大纲 可靠性及其相关概念 1 可靠性设计的延伸 2 老化设计方案实例 3 可靠度及寿命评估计算实例 4 1.可靠性及其相关概念 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

2、靠性要求，所采取的技术活动。 可靠性 可靠度函数 可靠性设计 失效率函数(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(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t时间。假 如在时间(t,t+t)内又有n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+t)内失效的频率为：n/N-n(t) 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

3、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 1.可靠性及其相关概念 内容大纲 可靠性及其相关概念 1 可靠性设计的延伸 2 老化设计方案实例 3 可靠度及寿命评估计算实例 4 2.可靠性设计的延伸 元器件 成品 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 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 常规老化试验设计方法： 如何进行测试前详细规划？ 寿命预测与实际应用

4、不符合？ 2.可靠性设计的延伸 准备样品 样品的基本信息样品的基本信息： 包括主要组成、用途等 样品的存贮及使用环境样品的存贮及使用环境 拟测试的内容拟测试的内容： 测试项目、试样数量、测试 周期、测试前中后样品检查 常规老化试验设计方法： 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！ 2.可靠性设计的延伸 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由样品的存储和使用环境确定： 自然环境 人工环境 常规老化试验设计方法： 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 必要条件！ 2.可靠性设计的延伸 定期取样测试性能 由样品评价指标决定由样品评价指

5、标决定： 关键性能 结构表征 试验周期 常规老化试验设计方法： 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 进行寿命预测评估 确定评价指标评价指标 采用Arrhenius公式公式进行可靠性试验的外推 常规老化试验设计方法： )exp(kRTEAak 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 当温度变化很大时，会产生非Arrhenius行为，此时，需修正公式：修正公式： )exp()exp(kkk2 21 121sumRTEARTEAaa)exp(kn RTEBTa2.可靠性设计的延伸 以使用性能为唯一评价指标

6、 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 老化试验设计中存在的问题： 内容大纲 可靠性及其相关概念 1 可靠性设计的延伸 2 老化设计方案实例 3 可靠度及寿命评估计算实例 4 3. 老化设计方案实例 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。 何为 老化老化 ？ 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 3. 老化设计方案实例 光 采用氙灯/碳弧灯/金属卤素灯/ 紫外灯测试设备模拟 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

7、击强度等 3. 老化设计方案实例 3. 老化设计方案实例 例例 1：ABS材料光老化设计方案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(300800)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。 34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 海南站海南站 AA 氙灯 9倍 UV 18倍 S 氙灯 62倍 UV 38倍 广州站广州站 AA 氙灯 10倍 UV 21倍

8、S 氙灯 55倍 UV 34倍 3. 老化设计方案实例 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：200230 热变形温度热变形温度 / 弯曲强度弯曲强度 /MPa 弯曲模量弯曲模量 /MPa 拉伸强度拉伸强度 /MPa 断裂伸长率断裂伸长率 /% 工艺1（200） 72 27.9 976 28.9 650 工艺2（215） 69 27.6 978 29.0 690 工艺3（230） 70 27.9 967 29.1 710 工艺4（240）

9、/ 23.6 813 26.3 690 工艺5（250） / 23.4 813 25.9 670 3. 老化设计方案实例 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 例2：添加回料产品性能测定 材料：材料：PP 验证项目：拉伸性能、悬臂梁冲击性能验证项目：拉伸性能、悬臂梁冲击性能 3. 老化设计方案实例 拉伸强度拉伸强度 MPa 断裂伸长率断裂伸长率 % 悬臂梁冲击悬臂梁冲击 kJ/m2 未添加回料 24.5 52 5.3 添加5%回料

10、 24.8 30 5.1 添加10%回料 25.1 31 5.1 添加20%回料 25.2 28 5.1 例2：添加回料产品性能测定 材料：材料：PP 同一参数每组数值的重现性如何？同一参数每组数值的重现性如何？ 3. 老化设计方案实例 断裂伸长率断裂伸长率/% 01 02 03 04 05 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 例2：添加回料产品性能测定 材料：材料：PP 采用采用PV 3952进行刮擦测试，测定其进行刮擦测试，测定其L值变化。值变化。

11、3. 老化设计方案实例 D65/10 SCI 测试前 L 测试后 L L 未添加回料 27.64 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 材料对大气腐蚀性组分的敏感性 腐蚀性组分腐蚀性组分 Ag Al 黄铜黄铜 青铜青铜 Cu Fe Ni Pb Sn 焊焊 料料

12、 钢钢 Zn 石头石头 CO32- L L M L M M M NH4- M L L L M L L L L L L L NO2 N L M M M M M M L M M M L H2S H L M M H L L L L L L L SO42- L M H H H H H M L M H H H Cl- M H M M M H M M M M H M L 有机酸 L L M M M M M H L L M M 臭氧 M N M M M M M M L L M M M 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

13、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） 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 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 制定分析方法 酸雨溶液成分酸雨溶液成分 （单位：（单位：mg/L） (NH4)2SO4 NaF

14、KNO3 MgSO4 CaCl3 pH 203.9 17.2 117.8 33.0 363.3 2.525.38 形貌 失重 成分 电化学 3. 老化设计方案实例 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。 腐蚀不同时间后的XRD图 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) 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),

15、 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：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。 内容大纲 可靠性及其相关概念 1 可靠性设计的延伸 2 老化设计方案实例 3 可靠度及寿命评估计算实例 4 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MTBFTtot/( N*r)； N为失效数（当没有产品失效时N取1）