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无铅钎料的纯扭疲劳和多轴棘轮疲劳研究

作　者: 梁永丰
导　师: 陈旭
学　校: 天津大学
专　业: 化工过程机械
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
分类号: TG425
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要


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Sn-0.7Cu和Sn-3Ag-0.5Cu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Sn-3Ag-0.5Cu进行了不同应变率下单轴拉伸和扭转实验,分析结果表明Sn-3Ag-0.5Cu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。Sn-3Ag-0.5Cu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Sn-3Ag-0.5Cu和Sn-0.7Cu两种钎料的纯扭疲劳试验,研究发现弹性剪应变-疲劳寿命受载荷下降水平影响很小,而塑性剪应变-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Sn-3Ag-0.5Cu和Sn-0.7Cu的疲劳寿命都很短且相差不大,在剪应力幅值较小时,Sn-3Ag-0.5Cu的疲劳寿命明显大于Sn-0.7Cu。此外,本文还对Sn-3Ag-0.5Cu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Sn-3Ag-0.5Cu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KBM模型对于超过1000的疲劳寿命预测误差较大,WB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CHX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Coffin模型,预测误差随轴向力增加变大,最大预测偏差达到10倍。Gao-Chen模型以最大剪应变和轴向棘轮应变率为损伤控制参量对Sn-3.0Ag-0.5Cu的多轴棘轮疲劳试验做出了很好的预测。

全文目录


摘要  3-4
ABSTRACT  4-8
第一章 文献综述  8-22
  1.1 微电子封装用焊锡钎料  8-10
    1.1.1 锡铅钎料  8
    1.1.2 无铅钎料  8-10
  1.2 焊锡钎料的力学特性研究  10-13
    1.2.1 锡铅钎料和无铅钎料的基本力学特性研究  11-12
    1.2.2 锡铅钎料和无铅钎料的疲劳特性研究  12-13
  1.3 棘轮效应  13-16
    1.3.1 棘轮效应影响因素研究  14-15
    1.3.2 棘轮疲劳研究  15-16
  1.4 疲劳寿命预测  16-20
    1.4.1 等效应变法  16-17
    1.4.2 临界面法  17-19
    1.4.3 能量法  19
    1.4.4 考虑棘轮效应的寿命估算法  19-20
  1.5 本文的工作及意义  20-22
    1.5.1 本文的工作  20-21
    1.5.2 本文的意义  21-22
第二章 Sn-3.0Ag-0.5Cu 拉扭力学性能及多轴棘轮试验  22-35
  2.1 实验设备  22-24
    2.1.1 试验机硬件设备  22-23
    2.1.2 试验机软件系统  23-24
  2.2 试验材料与理论计算  24-26
    2.2.1 实验设备与控制  25
    2.2.2 实验理论计算  25-26
  2.3 试验结果和分析  26-34
    2.3.1 单轴拉伸实验  26-28
    2.3.2 纯扭转实验  28-29
    2.3.3 多轴棘轮效应试验  29-34
  2.4 本章小结  34-35
第三章 无铅钎料疲劳寿命试验研究  35-53
  3.1 纯扭疲劳试验  35-40
    3.1.1 数据处理  35
    3.1.2 实验结果  35-38
    3.1.3 纯扭疲劳寿命分析  38-40
  3.2 多轴棘轮疲劳试验  40-51
    3.2.1 数据处理与试验结果  41-44
    3.2.2 棘轮应变分析  44-46
    3.2.3 多轴棘轮疲劳寿命分析  46-51
  3.3 本章小结  51-53
第四章 多轴棘轮下的低周疲劳寿命预测  53-61
  4.1 等效应变法  53-54
  4.2 临界面法  54-56
  4.3 能量法  56-57
  4.4 考虑棘轮效应的寿命估算法  57-60
  4.5 本章小结  60-61
第五章 结论  61-63
参考文献  63-69
致谢  69

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中图分类: > 工业技术 > 金属学与金属工艺 > 焊接、金属切割及金属粘接 > 焊接材料 > 钎焊材料
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