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无铅钎料Sn-3.5Ag多轴棘轮变形与低周疲劳研究

高红  
【摘要】: 随着环境污染影响人类健康的问题已成为全球关注的焦点,电子封装业面临着向“绿色”无铅化转变的挑战,使用无铅钎料将是电子行业的大趋势。本文对无铅钎料Sn-3.5Ag的力学性能进行了研究,将有助于提高无铅钎料焊点寿命预测的准确性,提高电子封装的可靠性。 在室温下对无铅钎料Sn-3.5Ag进行了单轴拉伸、纯扭、单轴棘轮效应试验以及一系列多轴棘轮效应试验;并对Sn-3.5Ag钎料进行了纯扭疲劳试验以及存在棘轮应变的多轴疲劳试验;采用扫描电镜观测和分析了钎料在疲劳前后的组织特征。研究发现,Sn-3.5Ag在较小的二次应力作用下会产生很大的棘轮应变,直到试件破坏棘轮应变累积也没有出现安定的趋势;Sn-3.5Ag钎料的棘轮行为具有很强的率相关性;加载路径对棘轮应变率没有影响;轴向应力和剪切应变幅的增大都会使轴向棘轮应变增大,疲劳寿命减小。由疲劳试样的组织和断口形貌分析可知:Sn-3.5Ag钎料是剪切型破坏材料;在疲劳失效过程中,裂纹沿着晶界萌生和扩展;在循环载荷作用下断口附近的共晶相β-Sn和Ag3Sn很容易破碎,形成许多细小的白色颗粒,从而造成材料的循环软化现象。 运用Euler后退隐式积分法对应力进行更新,采用修正的A-F率相关统一粘塑性本构模型对恒轴力、比例加载、菱形路径和圆路径以及各种剪切应变率下的多轴棘轮效应进行预测,得到了令人满意的结果。 利用等效应变法、临界面法和能量法对存在棘轮变形的疲劳寿命进行预测。由于上述模型没有考虑棘轮应变对疲劳寿命的影响,给出偏于危险的预测结果。考虑棘轮效应对疲劳寿命影响的Coffin模型,当棘轮变形较大时,预测结果偏于不安全。本文提出了以最大剪应变变程Δγmax和轴向棘轮应变率ε r为损伤参量的新模型,该模型既能描述纯扭时的疲劳寿命,又能够很好的预测无铅钎料存在棘轮效应的多轴疲劳寿命,且该模型具有简洁的参数确定方法和明确的物理意义。


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