机械疲劳损伤 － HALT和HASS的如何实现

7.2 机械疲劳损伤 － HALT和HASS的如何实现
HALT是用来寻找产品设计和制造中存在的薄弱环节，而HASS是发现零部件和组装中存在的缺陷并加以改正。事实证明有缺陷的零部件通常其应力要高于没有缺陷的零部件，这正是导致零件失效的原因。比如说焊点中有气泡或者零件引脚弯得太过了，又或是运送不当造成扭曲变形，那么那里的应力会比其它地方的要高。
最根本的是许多类型的应力所引起故障失效加速因子并不是和应力成等比例增加，大部分情况下是成指数级增加的，其解释如下：
最基本的失效模式是由振动、热冲击、湿度或开关循环等应力所引起的机械疲劳损伤，它们之间的关系是：
D
其中，D是米勒累积疲劳损伤函数
N是应力循环的次数
S 是单位面积施加的应力
β是材料特性
图7.1中的应力和失效所需循环次数(S-N)图来自斯坦博格[3]，通过对样品进行张力疲劳拉伸得出的拉伸力和循环次数间是一个指数分布，从而验证等式7.1的存在。参数β是曲线的斜率，通常在高应力下大部分材料是在8~12之间，那么在低应力下，所需的循环次数就增加很多。
对图7.1进行分析(7075-T6型铝)，我们可以得到在施加不同压力下所需要的循环次数：
1. 在40KSI(千帕)下需要2,000,0000个循环
2. 在80KSI(千帕)下需要2,000个循环
由此看出，尽管应力只是增加了一倍，但寿命就减少了1,000倍。这种加速模型在机械引起的疲劳损伤和其它类型故障模式都通用。注意的是每个循环施加的应力对疲劳损伤是累加而不可逆的，除非是材料融掉重新铸造。高应力下所造成的疲劳损伤其实和低应力多循环所造成的损伤是一样的，这也就是HALT和HASS工作的原理。
等式7.1说明了增加应力可以达到加速筛选原因，假设振动的RMS增加一倍，再假设β为10，那么疲劳损伤累积的速度就要加快1000倍，这就意味这可以缩短1000倍，这样就可以大大提高筛选的经济效益了。本例中，热冲击的循环次数可以减少1000倍或者是振动时间可以缩短1000倍，相对的，HALT和HASS的设备费用就相对减少，施加高应力减少测试时间就可以达到减少成本的目的，这也是使用加速方法的基本原理。
零部件在使用过程中出现非老化性损伤通常是由于其本身存在缺陷导致其应力增加所致。一个小小的缺陷往往导致应力集中2到3倍，这就是说它所承受的应力就2～3倍于没有缺陷的零部件，由此可以看出，一个小小的缺陷会指数倍速缩短疲劳损伤时间。例如如果应力集中了三倍，β为10，那么加速因子大概为6千万倍，应力集中了3倍是相当的高但在V型缺口出和设计很小的倒角中是存在的。