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加速壽命試驗的方法、類型、條件與范圍

嘉峪檢測網(wǎng) 2020-11-12 14:02

工作中經(jīng)常遇到有人對加速壽命試驗不清楚，包括方法、范圍、條件等，還有人對加速壽命試驗和高加速壽命試驗更是一筆“糊涂賬”，今天本文簡要介紹相關(guān)知識，供交流參考。

加速壽命試驗是用加大試驗應(yīng)力（諸如熱應(yīng)力、電應(yīng)力、機械應(yīng)力等)的方法，激發(fā)產(chǎn)品在短時間內(nèi)產(chǎn)生跟正常應(yīng)力水平下相同的失效，縮短試驗周期，但不改變受試樣品的失效分布。然后運用加速壽命模型，評估產(chǎn)品在正常工作應(yīng)力下的可靠性或壽命特征。加速試驗是近年來快速發(fā)展的一項可靠性試驗技術(shù)。該技術(shù)突破了傳統(tǒng)可靠性試驗的技術(shù)思路，將激發(fā)的試驗機制引入到可靠性試驗，可以大大縮短試驗時間，提高試驗效率，降低試驗耗損。

1、簡介

加速壽命試驗的統(tǒng)一定義最早由美羅姆航展中心于1967年提出，加速壽命試驗是在進行合理工程及統(tǒng)計假設(shè)的基礎(chǔ)上，利用與物理失效規(guī)律相關(guān)的統(tǒng)計模型對在超出正常應(yīng)力水平的加速環(huán)境下獲得的信息進行轉(zhuǎn)換，得到產(chǎn)品在額定應(yīng)力水平下的特征可復(fù)現(xiàn)的數(shù)值估計的一種試驗方法。簡言之，加速壽命試驗是在保持失效機理不變的條件下，通過加大試驗應(yīng)力來縮短試驗周期的一種壽命試驗方法。加速壽命試驗采用加速應(yīng)力水平來進行產(chǎn)品的壽命試驗，從而縮短了試驗時間,提高了試驗效率,降低了試驗成本。

進行加速壽命試驗必須確定一系列的參數(shù)，包括(但不限于)：試驗持續(xù)時間、樣本數(shù)量、試驗?zāi)康?、要求的置信度、需求的精度、費用、加速因子、外場環(huán)境、試驗環(huán)境、加速因子計算、威布爾分布斜率或β參數(shù)(β < 1表示早期故障，β> 1 表示耗損故障) 。用加速壽命試驗方法確定產(chǎn)品壽命，關(guān)鍵是確定加速因子，而有時這是最困難的。一般用以下兩種方法。

2、方法

（1）現(xiàn)有模型?，F(xiàn)有模型有：Arrhenius模型、Coffin-Manson模型和Norris-Lanzberg模型等。使用現(xiàn)有模型比用試驗方法來確定加速因子節(jié)省時間，并且所需樣本少，但不是很精確，且模型變量的賦值較復(fù)雜。

（2）通過試驗確定的模型(需要大量試驗樣本和時間) 。若沒有合適的加速模型，就需要通過試驗導(dǎo)出加速因子。先將樣本分成3個應(yīng)力級別：高應(yīng)力、中應(yīng)力、低應(yīng)力。制定試驗計劃確保在每一個應(yīng)力級別上產(chǎn)生相同的失效機理。這是確定加速因子較精確的方法,但需要較長的時間和較多樣本。

3、類型

按照試驗應(yīng)力的加載方式，加速壽命試驗通常分為恒定應(yīng)力試驗、步進應(yīng)力試驗和序進應(yīng)力試驗三種基本類型，如圖所示。它們分別表示了三種基本加速壽命試驗的應(yīng)力加載歷程。

（1）恒定應(yīng)力試驗(Constant-Stress Testing: CST)

其特點是對產(chǎn)品施加的“負荷”的水平保持不變，其水平高于產(chǎn)品在正常條件下所接受的“負荷”的水平。試驗是將產(chǎn)品分成若干個組后同時進行，每一組可相應(yīng)的有不同的“負荷”水平，直到各組產(chǎn)品都有一定數(shù)量的產(chǎn)品失效時為止。恒定應(yīng)力試驗的應(yīng)力加載時間歷程見圖 1(a)。

（2）步進應(yīng)力試驗(Step-Up-Stress Testing: SUST)

此試驗對產(chǎn)品所施加的“負荷”是在不同的時間段施加不同水平的“負荷”，其水平是階梯上升的。在每一時間段上的“負荷”水平，都高于正常條件下的“負荷”水平。因此，在每一時間段上都會有某些產(chǎn)品失效，未失效的產(chǎn)品則繼續(xù)承受下一個時間段上更高一級水平下的試驗，如此繼續(xù)下去，直到在最高應(yīng)力水平下也檢測到足夠失效數(shù)(或者達到一定的試驗時間)時為止。步進應(yīng)力試驗的應(yīng)力加載時間歷程見圖 1(b)。

（3）序進應(yīng)力加速壽命試驗(Progressive Stress Testing:PST)

序進應(yīng)力試驗方法與步進應(yīng)力試驗基本相似，區(qū)別在于序進應(yīng)力試驗加載的應(yīng)力水平隨時間連續(xù)上升。圖 1(c)表示了序進應(yīng)力加載最簡單的情形，即試驗應(yīng)力隨時間呈直線上升的加載歷程。

4、條件

若加速壽命與實用壽命的失效模式相同，即可運用加速壽命試驗。但實際上，有時失效模式相同，失效機理(Mechanism)卻不同，或即使失效機理亦相同，但失效判定條件或使用條件變動的話，加速性就變化。在長期的研發(fā)改進過程中，產(chǎn)品的設(shè)計或制造方法都可能發(fā)生變化，顧客的使用條件方可能發(fā)生變化；或是以規(guī)定的技術(shù)方法所生產(chǎn)的產(chǎn)品，也因存在無法控制的因素影響，造成失效機構(gòu)的改變，這些都可能造成無法利用加速壽命試驗。

例如，電子管的壽命滿足Arrhenius的關(guān)系式，所以可提高陰極溫度，實施加速壽命試驗。例如，電視機用布朗管若使陰極溫度成為額定值的100%，可實施加速因子為2.2倍至3倍的加速壽命試驗。但不論是陰極溫度低于額定，或不從陰極取電流而使用電子管時，都會顯著減短壽命。兩者之失效模式都是電子放射不良，但其間的差異在于失效機理不同。電子管常因陰極活性物質(zhì)的減少而使電子放射特性劣化，但陰極溫度減低的話，管內(nèi)不純氣體的作用亦會使電子放射特性劣化;若不取電流而動作的話，陰極內(nèi)部生成的中間層化合物電阻增大，亦使電子放射特性劣化，所以即使判定壽命的失效模式相同，失效機理也不同。故電子管須檢討實際使用時陰極溫度的偏差、間歇動作等條件，才能決定實施加速壽命試驗之方法。

5、范圍

除了以上所提的問題外，在規(guī)劃加速壽命試驗時須綜合考慮下列問題，才能選定加速壽命試驗的條件，以決定其適用的范圍:

（1）施加應(yīng)力之大小不同可能形成不同的失效模式，在此種情形下，應(yīng)力加速法之使用受到限制。

（2）失效發(fā)生時間與施加應(yīng)力強度之間，可能因應(yīng)力大小之不同或因機械操作條件不同而有不同的關(guān)系，放在加速壽命試驗規(guī)劃之初，就應(yīng)該注意到此種應(yīng)力加速適用范圍的問題。

（3）可在若干不同的試驗方法及不同的失效分析基準(zhǔn)之中，選用加速因子較大的方法，以較短試驗時間評估壽命的效用。

（4）產(chǎn)品在實地使用狀況下，應(yīng)力的變動大，失效發(fā)生的條件方可因使用者不同而異;或即使是反應(yīng)機構(gòu)相同的失效，分散亦頗不均勻，因此利用實驗數(shù)據(jù)推定實際使用壽命時，應(yīng)盡量指定累積失效率加以推定，以避免因數(shù)據(jù)不充足造成錯誤的分析。

6、工程示例

某廠制造一種新型絕緣材料，為了獲得平均壽命的估計值，預(yù)計正常應(yīng)力（工作溫度150℃）壽命試驗要進行兩萬小時左右，相當(dāng)于要兩年多時間，一般工廠是承受不了的。從該絕緣材料的物理性能可知，適當(dāng)?shù)靥岣咴囼灉囟瓤梢约铀俳^緣材料的老化，從而使擊穿時間提前到來，達到縮短試驗時間的目的。經(jīng)研究選190℃，220℃，240℃和260℃等四個溫度水平作為加速應(yīng)力水平，各獲得一組失效數(shù)據(jù)，然后再用統(tǒng)計方法估計各應(yīng)力水平下的平均壽命，各應(yīng)力下平均壽命如下表所示。

i	Ti(℃)	平均壽命
1	190	5045
2	220	2638
3	240	1572
4	260	1016

加速模型選為著名的阿倫尼斯模型：

加速壽命試驗的方法、類型、條件與范圍

該模型表示，隨著溫度水平的下降，平均壽命按指數(shù)上升。用最小二乘法對表中的數(shù)據(jù)進行擬合，不難得到其加速方程為

Lnθ=-3.6975+5675/T

用T=150+273=423帶入上式可算得在150℃下的平均壽命θ為16624小時。

7、高加速壽命試驗和加速壽命試驗的比較

高加速壽命試驗不用于確定產(chǎn)品的壽命。因為我們關(guān)心的是使產(chǎn)品盡可能提高可靠性，可靠性量值的測定并不重要。然而，對于具有耗損時間的機械產(chǎn)品，盡可能準(zhǔn)確地知道其壽命是非常重要的。

高加速壽命試驗比起加速壽命試驗來，一個重要優(yōu)勢就是在找尋影響外場使用的缺陷方面的速度較快。完成一個典型的高加速壽命試驗僅需2-4天，而且我們找尋的最終將變成外場使用問題的缺陷的成功率非常高。

加速壽命試驗比起高加速壽命試驗的一個優(yōu)勢是，我們不需要任何環(huán)境設(shè)備。通常，臺架上試驗就足夠了。并且許多情況下，在用戶的設(shè)施上就能進行該試驗。另一個好處就是試驗?zāi)芡瑫r確定產(chǎn)品的壽命，而這一點對高加速壽命試驗來說卻做不到。

來源：可靠性知識

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