对温度环境中产品失效机理的探讨

环境技术ＥＮＶＩＲＯＮＭＥＮＴＡＬ　ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ　２００６年第３期　文章编号：１　００１—７２０４（２００６）０３—００１　５－０６　・环境试验・　对温度环境中产品失效机理的探讨　马志宏，李全国　空军装备研究院雷达所，北京，１０００８５　摘要：温度影响造成产品的故障是各种环境中最多的，本文对温度环境下产品失效机理进行了分析，￣Ｈ－Ｉ－￣性地提出　了对产品进行有效防护的方法。　关键词：温度；产品；失效；防护　中图分类号：ＴＪ　３０６　文献标识码：Ａ　Ｓｔｕｄｙ　ｏｎ　Ｍｅｃｈａｎｉｓｍ　ｏｆ　ｔｈｅ　Ｅｆｆｅｃｔ　ｏｎ　Ｐｒｏｄｕｃｔｓ　ｉｎ　ｔｈｅ　Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ’Ｓ　Ｅｎｖｒｏｎｍｅｎｔ　ＭＡ　Ｚｈｉ—ｈｏｎｇ，ＬＩＪｉｎ—ｇｕｏ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｏｆＲａｄａｒ　ａｎｄ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ　Ｃｏｕｎｔｅｒｍｅａｓｕｒｅｓ　ｏｆｔｈｅ　Ａｉｒ　Ｆｏｒｃｅ　ＥｑｕｉｐｍｅｎｔＡｃａｄｅｍｅ，Ｂｅｉｊｉｎｇ，１０００８５　ＡＢＳＴＲＡＣＴ：Ｔｈｅ　ｎｕｍｂｅｒ　ｏｆＦａｉｌｕｒｅｓ　ｆｒｏｍ，ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ’Ｓ　ｅｆｆｅｃｔ　ｉｓ　ａ　ｍａｘｉｍｕｍ．Ｔｈｅ　ｍｅｃｈａｎｉｓｍ　ｏｆｔｈｅ　ｅｆｆｅｃｔ　ｏｎ　ｐｒｏｄｕｃｔｓ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ’Ｓ　ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ　ｉｓ　ａｎａｌｙｚｅｄ　ａｎｄ　ｔｈｅｎ　ｍｅｔｈｏｄｓ　ｆｏｒ　ｐｒｏｔｅｃｔｉｎｇ　ｐｒｏｄｕｃｔｓ　ａｒｅ　ａｄｖａｎｃｅｄ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｐａｐｅｒ．　ＫＥＹ　ＷＯＲＤＳ：Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ；Ｐｒｏｄｕｃｔｓ；Ｅｆｆｅｃｔ；Ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ　引　言　环境影响是指环境因素对产品产生的影响。　温度环境是自然环境因素之一，是产品必然要　经受考验的外界环境条件之一…。温度是产品　大多材料的物理性质和化学反应的速度都　受到温度变化的影响。温度也能决定其他环境　因素的影响。几乎没有例外，材料受热会膨胀，　冷却时会收缩不同的材料不同的比例膨胀和收　缩。　贮存、运输和使用中时刻要遇到的环境，温度　本身及温度与其他环境综合作用，时刻在影响　低温对于机械、仪表、电子等产品都要产　生一定的效应，这种效应可能是永久性的损坏，　亦可能是功能故障　。对于暴露于低温环境的产　品，由于低温会改变其组成材料的物理特性，　因此可能会对其工作性能造成暂时或永久性的　损害。所以，只要产品将暴露于低于标准环境　的温度下，就要考虑做低温试验。　着产品的性能。例如：高温往往引起热老化，　氧化结构变化，化学反应，软化，熔化及升华　液体粘度下降和蒸发，物理膨胀；低温使液体　粘度增加和固化，材料脆化，物理收缩，产品　内结冰；温度冲击造成反复热胀冷缩，产生机　械应力。这些影响导致出现各种形式的故障。　这三种温度造成的影响或故障，使设备的工作　性能受到暂时或永久性的损害。　１．１低应力脆断　一般钢性特别是低、中强钢的缺口冲击韧　１低温环境下产品失效的机理　性，随着温度变化有一个从脆性（解理断裂）　收稿日期：２００６—０５—２３　作者简介：马志宏（１９７５～），男，山西朔州人，空军装备环境与可靠性试验中心，工程师，从事设备环境与可靠性　试验与研完工作。　１５—　一维普资讯 http://www.cqvip.com

环境技术ＥＮＶＩＲＯＮＭＥＮＴＡＬ　ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ　２００６年第３期　・环境试验・　到韧性（韧窝断裂）的转变。这一现象可从缺　口前沿的应力分布特点来理解。在纯弹性条件　下，缺口根部有很大的应力集中，最大弹性集　中应力ｏ　ｅｙ可表达为　６　ｅｙ：Ｋ。６　（１）　式中：６一外加名义应力；　，一弹性应力集中系数。　对于脆性材料（如陶瓷），当６　ｅｙ超过其解　理断裂应力６ｆ时即发生脆断；对于塑性材料　（如金属），解理断裂应力都高于或至少等于　其屈服极限，因此在解理断裂发生前，缺口根　部将首先进入塑性状态，产生一塑性区。缺口　前沿的最大应力出现在弹塑性区边界附近，其　值可表达为：　６　ｇ６　（２）　式中：ｑ一弹塑性应力集中系数，其数值　最大可达２．５～３．０。　当６　ｐ　超过６，时，材料发生解理断裂。　按照这一应力分布特点，金属材料中韧脆转变　的发生，可用图１来说明。金属材料６，一般　不随温度或加载速度而变化，但　却随温度　的降低和加载速度的提高而增大。在高温时ｑｏ　低于６，，材料以韧窝机制断裂（由缺口部位　的应变达到断裂应变来控制），当温度降到一　定程度，ｑｏ　达到Ｏｆ时材料转变为解理断裂，　发生韧脆转变。受缺口冲击，动屈服极限６　高于６　，所以转变温度也高于缺口静弯时的　温度。一般低、中强钢的低应变力脆断发生在　转变温度附近以下的低温区域内，其韧性值是　相当低的。但若发生塑性断裂，则韧性值非常　高。因此为了防止低、中强钢的断裂，重要的　是保证不在低应力脆断的温度范围内工作，即　其最低工作温度为：　Ｔｗ＞￣Ｔｒ＋Ｋ　≥２０～３０℃　（３）　式中：　一转变温度。　在足够低的温度下，高聚物有分子链之间　的运动和链段的运动均被冻结，分子振动也近　乎“冻结”，因此，高聚物会变的很脆。　劈　琶　韧甓转变温度温度，ｃ　图ｌ韧脆转变的力学解　１．２物理收缩　随着温度的降低，绝大多数物质分子（原　子）的功能减小，其分子（原子）振幅减小，　分子（原子）占有空间减小，表现在物质的体　积缩小。对于不同的材料，收缩系数不同，收　缩不一致导致粘合、液体泄漏、泵和轴筒动作　困难，使得截留的湿气冻结，堵塞测流量孔。　２高温环境下产品失效的机理　由于大多数产品在温度环境下其内部不会　受到均匀的加热和冷却，因而温度梯度就会造　成引起破裂或永久性变形的内应力。高温下，　拉伸和抗压的屈服强度降低。如果温度超过了　再结晶点，就会影响金属的热处理效果。如果　加热使得电镀层扩散进入晶界，金属中会产生　应力合金化，最终改变基本金属的物理特性。　此外，高温还能以蠕变的形式造成金属的永久　性变形。　高温会改变产品所用材料的物理性能或尺　寸，因而会暂时或永久性地降低产品的性能。　对于大多数电子元器件，高温应力的后果是非　常严重的，它会引起诸如焊缝熔化和固体器具　烧毁等致命性失效。由于化学的递降效应，高　温还会导致元器件性能水平的逐渐下降。　２．１对产品内气体的影响（不考虑产品线性　膨胀）　产品在密封时，密封在产品内的气体质量　维普资讯 http://www.cqvip.com

环境技术ＥＮＶＩＲＯＮＭＥＮＴＡＬ　ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ　２００６年第３期　・环境试验・　和产品容腔是一定的，其中气体的压力为Ｐ，容　腔内的气体容积为Ｖ，根据气体定律有：　ＰＶ＝ｎＲＴ　（４）　式中：Ｒ一普适气体常量，其值为　０．０８２Ｊ／Ｋｇ・Ｋ，它是任何气体均适用的一个常量。　从上式可知，压力Ｐ随温度成正比升降。当　温度过高时会由于气压过大，造成密封容器破　裂。当温度过低时由于容器内压力过低，以致　外力使容器压坏。　有些产品采用密闭而并不密封的结构或密　封结构有漏气的情形，但产品环境的气压不变，　则有下列情况：　在ｔ＝Ｏ＇Ｃ时的体积为Ｖ。，则　ｆ℃时的体积Ｖ为：　Ｖ＝Ｖ。（，＋Ｂ　ｆ）　（５）　式中：　一气体的体膨胀系数。几种气体　的体膨胀系数见表１。　表１几种气体的体膨胀系数　名称　体积膨胀系数１３（１／度）　测定温度范围℃　空气　０．００３６７　１　０～１００　氧Ｄ，　０．００３６６５　Ｏ～１ＯＯ　氮　０．００３６７４　０～１００　氢　０．００３６６　１　０～１００　注：１３：０．Ｏ０３６６１是理想气体的数值。　随着温度增加气体分子（原子）的平动能　增加，压力增加，由于不密封，所以气体可以　逸出。　由于大量气体逸出，使气体变稀薄了，会　导致其介电性能和散热效果变坏。　当温度降低时，由于气体分子的平动能降　低，内部压力下降，外部气体进入。由于这种　气体的一进一出构成呼吸作用，使容器内原有　的保护性气体更快地逃逸，使含有氧气和其它　有害气体的大气进入产品的容腔内，从而引起　氧化、潮湿及其它气候环境腐蚀等问题。　根据对气候的研究，发现气体分子速度分　布与温度有下列关系：　）＝　（　）３，　・Ｐ　∥　（６）　＝浮＝犀　４・　（７）　气体速度的算术平均值为：　６。　ＲＴ　＝　＝　（８）　均方根速度为：　＝、　＝　７３　、／叵　（９）　式中：　一克分子量；　一最可几速度。　随着温度增加，、／　‘　及最可几速度　均增　加，平均速度　也增加。　一定质量的气体，当容积不变时，除了尸、　及增加外，碰撞总数也会增加，即：　＝　劢　）　标准状态下，某气体的分子有效直径　ｄ＝３×１Ｏ一　厘米，Ｖ＝５×１０　厘米／秒，　ｎ＝２．７×１０　／厘米　这种气体的平均碰撞次数为：　Ｚ＝２ｘ３．１４１６ｘ（３×１０一　）一　×５×１０　×２．７×１０　（厘米）。　随着碰撞次数的增加，气体分子的平均自　由程为：　一　天＝　＝　１　…）　气体分子平均自由程九不发生变化，因　为九与ｄ・ｎ有关。标准状态下有：　氢厘米九：１．１２×１０—５　氧厘米九：６．５×１０一ｓ　水蒸气九：０．４×１０—５　维普资讯 http://www.cqvip.com

环境技术ＥＮＶＩＲＯＮＭＥＮＴＡＬ　ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ　２００６年第３期　・环境试验・　当ｆ＝０℃时，空气分子的平均自由程与压强　的关系，见表２。　表２不同压力下空气分子平均自由程　Ｐ（毫米汞高）　（厘米）　７６０　７×１０。　１　５．４×１０　０．０１　０．５４　１０一　５．０　１０’　５０００　由于温度增加，气体分子运动速度增加，　碰撞几率增加，气体会加速扩散及分解，同时　加大活性，促进化学反应。而且高温下因相互　碰撞能够电离的高速分子增多，所以介电率通　常会降低。　２．２对机械特性的影响　温度是物质运动能量的表征形式，温度愈　高，说明物质分子的动能愈大，分子运动的能　量有平动能、转动能及振动能三种形式。对于　气体来说主要是平动能的形式，对于固体来说　主要表现为振动能。　线膨胀度越高，分子或原子振动的振幅就　越大，单个分子或原子占有空间也越大，所以　随着温度增加产品的几何尺寸也要增加。见下　式：　Ｌ＝Ｌｌ１（１＋仅【１，）　（１２）　式中：　”一材料的线膨胀系数。　由于材料不同其线膨腆。　系数也不同，　在温度变化时会发生零件变形，配合关系变化　（可能配合松脱或卡死），以至结构破坏。　不同材料螺接或焊接的构件或密封产品，　由于其线膨胀系数差得太大，在温度变化时，　膨胀不同造成裂缝，螺接松动，密封漏气等，　使其功能失效或破坏。也可能由于结构各部分　一１８一　热容量不同，受热过程中出现不同的温度，造　成龟裂。　物理性能的变化也会影响机械强度、抗振　和减振特性。由于构成有机材料分子具有的能　量不同，其物理化学特性变化很大。如橡胶和　塑料，低温变硬发脆，温度太高了又软化，它　们只能在一定温度范围内有较好的电气及机械　性能，超出温度范围其性能完全不同，造成失　效。　高温还会引起其他效应。对于作为密封或　润滑的材料，温度不仅会改变其体积大小，还　会使其物态发生变化，温度由低变高，这些物　质可从固态变为液态，温度高到某数值，液态　会变成气态。这时通常会发生润滑剂的挥发和　流失，使密封及润滑受到破坏。　温度不仅会直接影响非金属材料的体积，　而且高温使其中易挥发物质挥发，加速材料老　化和变形，从而影响其机械和化学特性。高温　还加速金属材料表面的氧化，降低材料的刚度、　强度。而低温又能使金属刚度增加，甚至脆化。　适当的温度还会加速霉菌的繁殖，霉菌菌　毒的作用会加速材料腐蚀和影响材料的表面状　态。　高温还影响物体表面的水膜厚度，当相对　湿度大于６５％时，物体表面开始形成水膜，水　膜厚度从０．Ｏ０１至０．Ｏｌｕｍ，随着相对湿度增加，　水膜厚度增加。在容积中绝对湿度不变的情况　下，温度愈高其相对湿度愈低，影响其运动表　面的润滑，使机械摩擦增加。　２．３温度对电性能的影响　由于电阻通常按自然冷却方式设计，因此　温度通常对电阻的影响很大。电阻通常是由两　个原因造成，其一是导体的材料；其二是因为　晶体振动。因此电阻可写成两项之和；材料是　不变的，故第一项为常数Ｒ、；第二项与温度　有关，即　Ｒ＝Ｒ【ｌ＋尺（，）＝Ｒ　（１＋丫　）　（１　３）　维普资讯 http://www.cqvip.com

环境技术ＥＮＶＩＲＯＮＭＥＮＴＡＬ　ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ　２００６年第３期　・环境试验・　式中：丫电阻温度系数，它是由于导体晶　格上的原子振动造成的，它表征每升高Ｉ℃时电　阻变化量。　温度愈高振动愈大，所以材料电阻也愈大。　电阻变化会使电路及传感器发生温漂。高温时，　电路内耗大发热大，热功率反过来又加骤环境　温度，所以高温对电路是不利的。　环境温度高，还会给散热带来困难，使发　热产品的温度增加，给绝缘、润滑、材料、结　构及工艺造成一系列问题，加速绝缘体老化甚　至造成热击穿。　半导体器件对高温极为敏感。高温影响载　流子的运动和器件的电参数，结温升高将使穿　透电流和集电极电流增大，使器件的工作点不　稳定。同时又导致结温升高和集电极电流增大　的恶性循环，使器件失效Ｈ　。　温度对半导体的影响也很大，原子中的电　子分布在许多层轨道上，每层轨道对应确定的　能量，当原子们互相接近而形成晶体时，不同　原子的电子轨道互相交叠。　电子自满带激发到导带，不仅使导带具有　导电功能，且使原来的满带有了空缺的现象，　这种空缺叫空穴，它也具备一定的导电功能。　导带中电子的多少直接影响导电的特性。　半导体中，导带上的电子密度与温度有着密切　的关系。在半导体内，系列能级上的电子，在　任意温度下的分布可用第二量子统计法确定。　在给定温度Ｔ下，依第二统计法，能级为　电子所占据的概率为　）＝　（１４）　式中：１２一电子化学势；　一波尔兹曼常数；　一绝对温度。　其中，ｐ＝　，０Ｌ＝一面１２　。处于导带中　的电荷密度随温度按指数关系增加，其中电荷　密度有：　ｎ　＝一一—２（２ｎｍＫ—Ｔ￣／２　一Ｐ　　ＦＡ　９（１　５）　２　７’　Ｆ９　：４．８２×１０　Ｔ　ｅ一　其中，Ｆ９＝　（导带底能量）一Ｅｏ（价带项能　量１。　环境温度对半导体器件影响较大的根本原　因就是随着温度增加，导带中电荷密度迅速增　加，造成半导体导电的放大倍数及穿透电流的　变化。　３温度冲击下产品失效的机理　当环境温度突然变化时，由于物质热容量　的存在，设备与环境要进行能量交换，交换方　式有辐射、对流、传导三种。一台设备由多个　零部件及多种材料构成，各部分的吸热、导热、　散热能力不同，造成设备各零部件之间，同一　零件的各部分间形成温差。由于其热胀、冷缩　的程度不同，形成强大的内应力，从而产生温　度冲击效应。　温度冲击通常对靠近产品外表面的部分影　响更严重，离外表面越远（当然，与含有的材　料特性有关），温度变化越慢，影响越不明显Ｄ　，　运输箱、包装等能够减小温度冲击对封闭产品　的影响。急剧的温度变化可能会暂时地或永久　地影响产品的工作。　４对温度效应的防护与控制　最基本的设计方法就是抵消产品中产生的　温度应力，在这方面进行优化设计是非常重要　的。防止和控制温度应力的办法有两个：　（１）仔细选择用于热环境的材料，并选用　最优的结构设计及热设计，使得设备各部分可　以合理安排和布置：　（２）最优化产品的散热措施，使用温度调节　装置改变热（冷）状况，以控制速度变化的环　维普资讯 http://www.cqvip.com

环境技术ＥＮＶＩＲＯＮＭＥＮＴＡＬ　ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ　２００６年第３期　・环境试验・　境。　透气性差的密封材料，交替的加热和冷却，　能导致大量积存冷凝水，设计时要注意温度对　产品的影响。还应适当选择代替材料和改变结　构状态的设计来避免这种情况，这些都与采用　的工作准则所规定的最高和最低等级有关。　除了适当地选择材料外，可采用的被动性　保护措施和控制方法如下：　（１）使用绝热材料和隔热（材料）技术；　（２）应用传热原理。　在不用散热装置的情况下，要充分分散设　备内部的热积聚。在电子设备中，微型化布置　和设计增加了出现过热的潜在危险，必须加以　适当地防护。　工业产品在设计中最主要的是要考虑应力　严酷的温度极值。如日本对寒带地区施工机械　的设计时应考虑如下问题：对于轻寒（使用环　境温度一１５℃，存放环境温度一２５℃）设计时考　虑更换工作油、润滑油脂及冷却流等，驾驶室　增加取暖设备；对于寒冷气候（使用环境温度　一３０℃，存放环境温度一４０℃）设计时除考虑更　换油料外，还应更换密封件及橡胶制品，发动　机应加油底壳加热器，蓄电池用耐寒蓄电池并　安装加热器。对于严寒气候（使用环境温度　一４０￣Ｃ，存放环境温度一５５￣Ｃ）除设计底盘加热　之外，冷却水系统也应装有预热装置。　普通结构钢在低温条件下的冲击韧性值和　脆性破面率是达不到上述要求的。因此工程机　械中的大型焊接结构件必须采用高强度钢。　工程机械中的大型铸钢件，影响其低温和　机械性能的主要因素是含碳量。含碳量愈高愈　容易产生脆性破坏，在减小含碳量的同时还应　减少硫、磷的含量，适当加入镍、钴、钼等合　金元素。为了提高铸钢在低温下的冲击韧性，　一般都采用回火处理方法，对焊接件进行热处　理，是为消除焊接内应力，提高其低温下的冲　击性能。　一２０—　５结束语　各种产品在生产、包装、运输、装卸、储　存、布设（撤）和存放中经历着各种复杂的自　然环境和诱发环境。温度环境对各种产品、设　备或元器件等都有着严重的影响。温度应力是引　起产品失效的最主要的因素【　，温度影响造成产　品的故障是各种环境中最多的，约占所有环境　造成的故障总数的４０％。因此，通过对温度环　境下产品失效机理的研究分析，可以保证设计　的产品能适应未来的环境，保证生产的产品能　够保持其设计的耐环境能力，提高它们对环境　的适应性及可靠性，以此对我国的国防事业作出　贡献。　参考文献　【１】李红印，张洪庆．教学仪器产品的环境试验［Ｊ］．教学仪　器与试验，２０００，１６（６）：７－１０．　【２】王浚，黄本诚，万才大．环境模拟技术【Ｍ】．北京：国防　工业出版社，１９９６．１６３～１６５．　【３】ＧＪＢ１５０＜军用设备环境试验方法一实施指南）［Ｓ］　【４】Ｌ．Ｃ．Ｌｙｎｎｗｏｒｔｈ　ａｎｄ　Ｊ．Ｊ．Ｂｅｎｅｓ．Ｄｅｓｉｇｎ　Ｇｕｉｄｅ　Ｍｅａｓｕｒｉｎｇ　Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ［Ｊ】．Ｍａｃｈｉｎｅ　Ｄｅｓｉｇｎ，１９９２，４：３８８－４０７．　【５】张伟．温、湿、振三综合环境试验技术的应用【Ｊ】．电子　产品可靠性与环境试验，２００４，６：３８～４１．　（上接第９页）　是使用以前类似产品大纲验证了的筛选量级　（继承性筛选）。　参考文献　【１】ＧＪＢ／Ｚ　３４．９３，电子产品定量环境应力筛选指南【Ｓ】　【２】栽树森，费鹤良，土玲玲等．可靠性试验及其统计分析　【Ｍ】．国防工业出版社，１９８４　【３】胡志强，法庆衍，洪宝林等随机振动试验应用技术　【Ｍ】，北京：中国计量出版社，１９９６；　【４】陈学军，苏振华．可靠性数据处理与分析技术研究【Ｊ】．电　子产品可靠性与环境试验，１９９７（３）：３８　【５】张爱民．电子产品环境应力筛选效果评估与应用初探　【Ｊ】．电子产品可靠性与环境试验，２００３，　（３）：４５—４７