加速寿命试验基础知识

加速寿命试验是指采用加大应力的方法促使样品在短期内失效，以预测在正常工作条件或储存条件下的可靠性，但不改变受试样品的失效分布。

简介

加速寿命试验的统一定义最早由美罗姆航展中心于1967年提出，加速寿命试验是在进行合理工程及统计假设的基础上，利用与物理失效规律相关的统计模型对在超出正常应力水平的加速环境下获得的信息进行转换，得到产品在额定应力水平下的特征可复现的数值估计的一种试验方法。简言之，加速寿命试验是在保持失效机理不变的条件下，通过加大试验应力来缩短试验周期的一种寿命试验方法。加速寿命试验采用加速应力水平来进行产品的寿命试验，从而缩短了试验时间,提高了试验效率,降低了试验成本。

进行加速寿命试验必须确定一系列的参数，包括（但不限于）：试验持续时间、样本数量、试验目的、要求的置信度、需求的精度、费用、加速因子、外场环境、试验环境、加速因子计算、威布尔分布斜率或β参数（β < 1表示早期故障，β > 1 表示耗损故障） 。用加速寿命试验方法确定产品寿命，关键是确定加速因子，而有时这是最困难的。一般用以下两种方法。

方法

1、 现有模型。现有模型有：Arrhenius模型、Coffin2Manson模型和Norris2Lanzberg模型等。使用现有模型比用试验方法来确定加速因子节省时间，并且所需样本少，但不是很精确，且模型变量的赋值较复杂。

2、通过试验确定的模型(需要大量试验样本和时间) 。若没有合适的加速模型，就需要通过试验导出加速因子。先将样本分成3个应力级别：高应力、中应力、低应力。制定试验计划确保在每一个应力级别上产生相同的失效机理。这是确定加速因子较精确的方法,但需要较长的时间和较多样本。

类型

按照试验应力的加载方式，加速寿命试验通常分为恒定应力试验、步进应力试验和序进应力试验三种基本类型，如图 3.1 所示。它们分别表示了三种基本加速寿命试验的应力加载历程。

1、恒定应力试验（Constant-StressTesting: CST）

其特点是对产品施加的“负荷”的水平保持不变，其水平高于产品在正常条件下所接受的“负荷”的水平。试验是将产品分成若干个组后同时进行，每一组可相应的有不同的“负荷”水平，直到各组产品都有一定数量的产品失效时为止。

2、步进应力试验（Step-Up-Stress Testing:SUST）

此试验对产品所施加的“负荷”是在不同的时间段施加不同水平的“负荷”，其水平是阶梯上升的。在每一时间段上的“负荷”水平，都高于正常条件下的“负荷”水平。因此，在每一时间段上都会有某些产品失效，未失效的产品则继续承受下一个时间段上更高一级水平下的试验，如此继续下去，直到在最高应力水平下也检测到足够失效数(或者达到一定的试验时间)时为止。

3、序进应力加速寿命试验（Progressive StressTesting: PST）

序进应力试验方法与步进应力试验基本相似，区别在于序进应力试验加载的应力水平随时间连续上升。

条件

若加速寿命与实用寿命的失效模式相同，即可运用加速寿命试验。但实际上，有时失效模式相同，失效机理（Mechanism）却不同，或即使失效机理亦相同，但失效判定条件或使用条件变动的话，加速性就变化。在长期的研发改进过程中，产品的设计或制造方法都可能发生变化，顾客的使用条件方可能发生变化;或是以规定的技术方法所生产的产品，也因存在无法控制的因素影响，造成失效机理的改变，这些都可能造成无法利用加速寿命试验。

例如，电子管的寿命满足Arrhenius的关系式，所以可提高阴极温度，实施加速寿命试验。例如，电视机用布朗管若使阴极温度成为额定值的100%，可实施加速因子为2.2倍至3倍的加速寿命试验。但不论是阴极温度低于额定，或不从阴极取电流而使用电子管时，都会显著减短寿命。两者之失效模式都是电子放射不良，但其间的差异在于失效机构不同。电子管常因阴极活性物质的减少而使电子放射特性劣化，但阴极温度减低的话，管内不纯气体的作用亦会使电子放射特性劣化；若不取电流而动作的话，阴极内部生成的中间层化合物电阻增大，亦使电子放射特性劣化，所以即使判定寿命的失效模式相同，失效机构也不同。故电子管须检讨实际使用时阴极温度的偏差、间歇动作等条件，才能决定实施加速寿命试验之方法。

范围

除了以上所提的问题外，在规划加速寿命试验时须综合考虑下列问题，才能选定加速寿命试验的条件，以决定其适用的范围:

1、施加应力之大小不同可能形成不同的失效模式，在此种情形下，应力加速法之使用受到限制。

2、失效发生时间与施加应力强度之间，可能因应力大小之不同或因机械操作条件不同而有不同的关系，放在加速寿命试验规划之初，就应该注意到此种应力加速适用范围的问题。

3、可在若干不同的试验方法及不同的失效分析基准之中，选用加速因子较大的方法，以较短试验时间评估寿命的效用。

4、产品在实地使用状况下，应力的变动大，失效发生的条件方可因使用者不同而异；或即使是反应机构相同的失效，分散亦颇不均匀，因此利用实验数据推定实际使用寿命时，应尽量指定累积失效率加以推定，以避免因数据不充足造成错误的分析。