加速壽命試驗是用加大試驗應力(諸如熱應力、電應力、機械應力等)的方法,激發產品在短時間內產生跟正常應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,評估產品在正常工作應力下的可靠性或壽命特征。加速試驗是近年來快速發展的一項可靠性試驗技術。突破了傳統可靠性試驗的技術思路,將激發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、概述
加速壽命試驗的統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計假設的基礎上,利用與物理失效規律相關的統計模型對在超出正常應力水平的加速環境下獲得的信息進行轉換,得到產品在額定應力水平下的特征可復現的數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力水平來進行產品的壽命試驗,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,包括(但不限于):試驗持續時間、樣本數量、試驗目的、要求的置信度、需求的精度、費用、加速因子、外場環境、試驗環境、加速因子計算、威布爾分布斜率或β參數(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品壽命,關鍵是確定加速因子,而有時這是最困難的。一般用以下兩種方法。
2、方法
(1)現有模型。現有模型有:Arrhenius模型、Coffin-Manson模型和Norris-Lanzberg模型等。使用現有模型比用試驗方法來確定加速因子節省時間,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,就需要通過試驗導出加速因子。先將樣本分成3個應力級別:高應力、中應力、低應力。制定試驗計劃確保在每一個應力級別上產生相同的失效機理。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
按照試驗應力的加載方式,加速壽命試驗通常分為恒定應力試驗、步進應力試驗和序進應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力加載歷程。
(1)恒定應力試驗(Constant-Stress Testing: CST)
其特點是對產品施加的“負荷”的水平保持不變,其水平高于產品在正常條件下所接受的“負荷”的水平。試驗是將產品分成若干個組后同時進行,每一組可相應的有不同的“負荷”水平,直到各組產品都有一定數量的產品失效時為止。恒定應力試驗的應力加載時間歷程見圖 1(a)。
(2)步進應力試驗(Step-Up-Stress Testing: SUST)
此試驗對產品所施加的“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品失效,未失效的產品則繼續承受下一個時間段上更高一級水平下的試驗,如此繼續下去,直到在最高應力水平下也檢測到足夠失效數(或者達到一定的試驗時間)時為止。步進應力試驗的應力加載時間歷程
(3)序進應力加速壽命試驗(Progressive Stress Testing:PST)序進應力試驗方法與步進應力試驗基本相似,區別在于序進應力試驗加載的應力水平隨時間連續上升。圖 1(c)表示了序進應力加載最簡單的情形,即試驗應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。在長期的研發改進過程中,產品的設計或制造方法都可能發生變化,顧客的使用條件方可能發生變化;或是以規定的技術方法所生產的產品,也因存在無法控制的因素影響,造成失效機構的改變,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的減少而使電子放射特性劣化,但陰極溫度減低的話,管內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)施加應力之大小不同可能形成不同的失效模式,在此種情形下,應力加速法之使用受到限制。(2)失效發生時間與施加應力強度之間,可能因應力大小之不同或因機械操作條件不同而有不同的關系,放在加速壽命試驗規劃之初,就應該注意到此種應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)產品在實地使用狀況下,應力的變動大,失效發生的條件方可因使用者不同而異;或即使是反應機構相同的失效,分散亦頗不均勻,因此利用實驗數據推定實際使用壽命時,應盡量指定累積失效率加以推定,以避免因數據不充足造成錯誤的分析。