银锡合金在不同应变率及温度下的力学特性毕业作品文档格式.docx

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Abstract：

Basedonmechanics，materialsandrelatedtheories，thematerialtestmachine，Hopkinsonpressurebar（SHPB）andtemperaturecontroldeviceisusedtoteststress-straincurveofsilvertinalloyunderdeferenttemperatures（hometemperature，50，100and200degreesCelsius），aswellasdeferentstrain-rate（static，1000，2000，40001/s）andcompletetheresearchthathowthetemperatureandstrainrateinfluencemechanicalpropertyofsilvertinalloy.Asonekindofgoodlead-freesoldermaterials，silvertinalloyismainlyusedforweldingofcircuitboards。

Asaclassicallead-freesoldermaterial，ithashighpotentialandapplicationprospect。

Butuntilnow，therelatedresearchesaremainlyunderthequasi-staticandnormaltemperatureconditions。

However,someelectronicequipmentisusedinverypoorenvironmentsuchashighaccelerationorhightemperatureenvironment。

Soresearchesformechanicalpropertiesofsilvertinalloyunderhightemperaturesandhighstrain-rateisurgentlyneededsoastoprovidereferencefordesignofcircuitboard。

Fromtheresultsoftheexperimentsinthispaper，itisobviouslythatthemechanicalpropertiesofsilvertinalloyaresensitivetotemperatureandstrain-rate。

Keywords：

Silvertinalloy；

Highstrainrate；

Temperaturecontrol；

Mechanicalproperties。

目　录

1引言

1.1毕业设计（论文）的背景与意义

焊锡接点不但是电路板和电子器件之间传递电信号的媒介，同时还起到机械连接和支撑作用，其破坏将直接导致电子产品失效。

近百年来，由于Sn37Pb（含63%锡和37%铅）便于加工、具有良好的力学性能并且成本低廉，被广泛用作微电子封装中的焊锡接点材料。

在最近几年，鉴于铅对环境的危害，许多国家已经禁止使用含铅焊料，所以用无铅焊料代替含铅焊料已经迫在眉睫。

然而，无铅焊料相比于含铅焊料有很多不足，其中之一就是手机等移动电子产品的跌落冲击可靠性问题。

实验表明，无铅焊锡接点比含铅焊锡接点更容易发生破坏，其可靠性有一个数量级的下降；

其破坏模式也由含铅焊锡接点的体断裂转移为沿焊锡接点和电路板之间的截面开裂，虽然目前对这种可靠性下降和破坏模式改变的原因尚不十分清楚，但可能与跌落冲击过程中无铅焊锡材料的应变率效应和当时环境的温度有关。

本实验研究的是一种无铅焊锡材料——银锡合金在不同应变率和温度下的力学性能。

银锡合金具有延展性好，强度高，无毒，抗腐蚀等优点，做为一种无铅焊料有很大的发展空间。

为了更好的利用这种材料，对它的力学特性的研究是很有必要的。

我们利用材料实验机、霍普金森压杆及温度控制装置，测试银锡合金在不同温度和不同应变率下的应力应变曲线，研究银锡合金的温度敏感性和应变率敏感性。

重点研究银锡合金在高温及高应变率下的力学性能。

1.2毕业设计（论文）所做的工作

在实验中，分别研究了材料的准静态力学性能和动态力学性能。

我们利用MTS810材料实验机对试件进行准静态力学实验，可以得到银锡合金的准静态力学性能。

但这只是动态实验的对比实验，所以投入的实验量是比较少的。

我们把研究的重点放在了测试材料的动态力学性能上。

利用SHPB对试件进行的动态力学实验分4大组，分别是常温组，50℃组，100℃组和150℃组，每组分3小组，分别是1000应变率组，2000应变率组和4000应变率组。

每小组做3个对比实验，以求实验的准确性。

最终我们通过对比实验结果以确定应变率和温度对银锡合金这种无铅焊锡材料的力学性能的影响。

1.3国内外研究进展

银锡合金是银和锡的二元合金，有AgSnl0，AgSn70，AgSn90，AgSn95和AgSn96.5等牌号。

属低温钎料，适用于钎焊温度受限制而又要求较高强度的铜合金等零件。

根据其二元相图知，富锡端，由富锡固溶体和Ag3Sn组成共晶体，共晶温度为221℃，共晶成分含3.5%Ag。

该合金熔点偏高，虽然不适用于替代Sn-Pb共晶，但它是替代含铅高温焊料的主要候选材料。

在纯锡中添加少量的Ag有利于提高机械性能，但焊接能力略低于Sn-Pb焊料。

金属间化合物Ag3Sn高度分散不仅使锡银合金具有较高的强度，而且有良好的冲击韧性，耐蚀性及良好的电导、热导性能，尤其是抗蠕变能力比Sn-Pb焊料高2000倍。

目前人们对该合金蠕变机制的认识尚有争议，Mathew等认为扩散控制的位错攀移决定蠕变性能，因此Sn-3.5Ag的蠕变机制与纯锡的相同。

Yang等和Liang等则认为Sn-3.5Ag是颗粒强化合金，蠕变是Ag3Sn颗粒对位错攀移的阻止引起的。

国外有FryMetal和Heracus等公司应用Sn-Ag焊料。

过去在焊料中尽量避免含Zn，因为Zn易氧化和腐蚀。

但是M.McCormacj等研究发现在Sn-Ag-Zn合金中，由于Zn固溶于Ag，从而显著地降低了合金潜在的腐蚀性。

在不提高熔点的情况下，M.McCormacj等还发现，添加Zn有利于提高Sn-Ag焊料的抗热疲劳性，因为Zn几乎不固溶于Sn，大部分溶于Ag，并利于产生细小弥散的析出物，其微观结构稳定。

当Zn含量增加到1%时，效果最好。

添加钢会使合金的熔点升高，所以Sn-Ag-Cu系一般都添加其他元素如Sb、Bi等。

日本松下电气公司和千住金属工业公司研究开发出一种性能良好的焊锡Sn-3~5%Ag-0.5~3%Cu（可能还含有Bi），于2000年1月获得专利。

1998年伊科索尔德国际股份有限公司研制出一种焊锡，其成分为：

Sn-15.0~30.0%Bi-1.0~3.0%Ag和任选包括0~2.0%Cu和0~4.0%Sb。

当Sb含量约为5%时，形成细小的Ag-Sn沉淀物，当其含量超过5%时，会使Sn-Ag合金的晶粒粗化。

在国内，对银锡合金这种无铅焊料的力学性能研究比较多的是秦飞，安彤等人。

他们利用分离式霍普金森拉压杆技术分别对63Sn37Pb、96.5Sn3.5Ag以及96.5Sn3.0Ag0.5Cu在600、1200以及2200s^-1应变率下的拉伸和压缩动态力学性能进行了测量,得到了不同应变率下的应力应变曲线。

结果表明:

3种材料均具有明显的应变率效应,其中,96.5Sn3.5Ag对应变率较为敏感；

在相同应变率下96.5Sn3.0Ag0.5Cu呈现出最大的屈服应力和抗拉强度。

给出了2种无铅焊料抗拉强度、失效点应变与应变率之间的拟合关系。

得到的压缩应力应变曲线图如下：

图1.压缩应力应变曲线图

得到的结论是：

无论是锡铅焊料还是无铅焊料,动态屈服应力要比静态屈服应力大2倍左右。

以96.5Sn3.5Ag为例,在准静态载荷作用下的屈服应力为29MPa,当应变率增至2200s-1时,屈服应力升高到87MPa,为准静态情况下的3倍。

取2%真实应变下的应力σ2%作为参考点,可得到流动应力与应变率成线性拟合关系。

直线斜率的大小反映了材料对应变率的敏感性。

63Sn37Pb、96.5Sn3.5Ag和96.5Sn3.0Ag0.5Cu三种材料的拟合斜率分别为0.05,0.15和0.11。

可见,96.5Sn3.5Ag具有最强的应变率相关敏感性。

图2给出了其流动应力应变率拟合关系。

图2.96.5Sn3.5Ag压缩流动应力应变率曲线图

准静态条件（等温情况）下材料的塑性呈明显的线性硬化特性,但动态条件（绝热过程）下塑性段的初始部分尚能呈现线性硬化特性,但后半部分则呈现递减硬化特性,说明在高速变形过程中,塑性功转化为热量所导致的温度升高使材料发生了软化。

可见，3种材料均具有明显的应变率相关性,随着应变率的提高,材料的屈服应力和流动应力均有显著提高；

比较而言,96.5Sn3.5Ag的率相关效应最明显。

综上所述，人们在不断的研究和探索银锡合金的各方面性能，但对其力学性能的研究主要在高应变率方向上展开，从高温方向上对其力学性能的研究还不够完善，而温度对材料力学性能的影响也是不容忽视的，所以为了进一步了解银锡合金材料的力学性能，从高温方向开展研究是很有意义的，本实验的主要目的就是研究银锡合金在高温下的力学性能。

2

理论背景

2.1主要实验装置

2.1.1分离式霍普金森杆（SHPB）装置

SHPB实验是一种比较成熟是实验技术，它被广泛应用在测试材料的动态力学性能实验上。

本实验要测的高应变率下的动态力学性能也必须用到这一技术，所以这里有必要介绍一下它。

该装置主要由3部分组成，分别是加载驱动装置，压杆测试系统以及信号测量与记录系统。

据指导老师说：

我们的SHPB装置是由高射机枪改装而成，性能可靠。

实验装置见图1（a）和（b）。

为了更加深入的了解SHPB装置的整个动态加载过程，我在这里对其简单的描述一下。

当子弹撞击输入杆，产生的矩形应力脉冲将沿着输入杆传播，直到撞上试件。

撞上试件之后，由于材料之间的阻抗不匹配，一部分输入杆中的应力脉冲被反射，而其余部分透射通过试件。

透射脉冲从试件射出，沿着输出杆传播直到杆的底部。

图3（a）.SHPB装置的实物图

图3（b）.SHPB装置的简图

2.1.2准静态力学性能测试装置

准静态力学性能测试实验是一个参考实验，我们只做了两组实验。

用到的实验装置是MTS810材料实验机，它由3部分组成：

分别是加载驱动系统，载荷测量系统，形变测量系统，实物见图2。

现如今，材料实验机广泛应用在各个行业的材料强度测试上，它可用于静态或动态的拉伸、压缩等各种类型的实验。

它是完全由计算机操控的，性能稳定，操作方便。

数据的采集，计算和结果的输出也是由计算机完成的。

图4.MTS810材料实验机

2.2SHPB的测试原理以及使用到的主要公式

在讲原理之前，我们必须提到两个重要的基本假定，因为所有的原理都是在这两个基本假定上推导出来的。

它们分别是：

（1）压杆的一维弹性变形假定；

（2）试件中的应力和应变在变形过程中处于均匀状态。

根据第一个假定我们可以得到两个结论，它们分别是：

1.应力波在传播过程中既无弥散也无畸变；

2.杆的横截面在运动及变形过程中始终保持为平面，即杆对试件的加载是平面加载。

根据第二个假定得到的结论是：

由试件的端面应力及总变形可以推算出材料的应力-应变特性。

如图3所示，它是典型的测试信号波形，根据上面的理论，杆-试件端的作用力及运动速度可以由压杆上某一位置测得的表面应变来推算。

其中表面应变由贴在入射杆和透射杆上的应变片来测量，入射杆上测得的是入射波

及反射波

，透射杆上测得的是透射波

。

图5.典型的测试信号波形

根据实验测得的应变信号，则作用在试件上的轴向应力及轴向应变率、应变可由公式（1－1）来计算：

上式中：

（t）、

（t）及

（t）分别为应变片上记录的入射波信号，反射波信号及透射波信号；

为压杆的横截面积，

和

为压杆材料的杨氏模量和压杆的一维弹性波波速；

和

分别为试件的原始横截面积和长度（故这里给出的是试件中的工程应力及工程应变）。

（1-1）式是二波法的数据处理公式。

不过此时还需要注意的是:

时间已经被平移至杆-试件作用端面。

此外，按均匀性假定，试件中应力处处相等，故有公式（1－2）：

2.3经典的SHPB测试信号（二波法）处理公式

将（1-2）代入（1-1）式，就得到公式（1－3）：

本实验用到的数据处理公式就是公式（1-3），用的是透射波信号和反射波信号。

3实际工作的主要内容

3.1实验前的准备工作

实验前的准备当然少不了阅读与实验相关的文献，我查阅了不少文献，包括老师给我的以及自己查找的，使自己对实验有初步的了解。

其次对软件及仪器的使用方法的掌握更是重中之重，毕竟需要的是结果，而不是过程。

实验要使用到的软件主要是MATLAB和ORIGIN，这两个软件是相辅相成的，前一个用来处理数据，后一个用来处理图形，幸好有现成的SHPB实验数据处理程序，如果需要自己编程的话，那可要费不少劲的。

所以在软件使用方面，只要学会使用SHPB实验数据处理程序和ORIGIN软件，具体的使用方法我在后面会有阐述。

这个实验用到的仪器比较多，有准静态力学实验的MTS810材料实验机，SHPB装置，应变仪，示波器，加载驱动装置，热电阻及附带的变压器和热探头及附带的数显调节仪。

由于MTS810材料实验机和SHPB装置的图片在前面已经有了，所以其它仪器的图片分别如下：

图6（a）.应变仪

图6（b）.示波器和数显调节仪

图6（c）.加载驱动装置

图6（d）.热电阻（下）和热探头（上）

图6（e）.变压器

大多的实验仪器使用都比较简单，比较难的是示波器，不过用的多了就会了，所以实验仪器的使用基本没什么问题。

3.2实验过程和结果

3.2.1准静态力学实验

准静态力学实验用到的实验仪器是MTS810材料实验机，它是一台智能的仪器，完全由计算机超控，试件是长为7mm、端面直径是6mm的圆柱形标准试件。

由于这个实验是动态力学实验的对比实验，测得数据只有两组，分别是应变率为0.01

和0.001

的，且用计算机超控比较复杂，所以老师并没有让我们自己来做，只负责向实验机上放试件，等测试完后再取下来的工作，超控材料实验机的工作由研究生完成。

下面我对我做的工作做简单描述：

实验开始——研究生把材料实验机的压头打开——我把端面涂有凡士林的试件用镊子放在压头的正中央——研究生超控计算机完成准静态力学测试——打开材料实验机的压头——我取出测试完的试件——用纸巾擦干净压头并放上未测试的试件。

我们测了两组数据，测完后的试件如图5：

图7.应变率为0.01

的测完后试件（上面3个）和应变率为0.001

的测完后试件（下面2个）

应变率为0.01

的实验我们用50s压缩3.5mm，应变率为0.001

的实验我们用250s压缩1.75mm。

需要注意的是，实验得到的数据不是直接可用的，需要用ORIGIN进一步处理。

3.2.2动态力学实验

动态力学实验是这个实验的主体，所以它比准静态力学实验的要求要高的多。

用到的实验仪器主要有SHPB装置，示波器，温控装置和计算机，这些仪器的图片在前面已经展示过了。

这里主要要讲的是实验过程，方便大家了解。

实验开始前需要把各仪器连接，仪器的连接还是比较容易的，首先把贴在入射杆和透射杆上的应变片与应变仪相连，我们连的是二三通道，应变片是老师帮我们贴的，因为贴应变片容易，而要把它贴好是很难的，而且应变片接线的缠绕方式也尤为重要；

接着是应变仪与示波器相连，我们连的是一二通道；

最后是示波器与计算机相连，我们用的是一根网线，连接之后从示波器上获取示波器的IP地址，再在计算机上输入IP地址，这样所有的仪器就连好了。

仪器连好之后就可以做实验了，本实验分常温组、50℃组、100℃组和150℃组4个大组，每个大组分应变率是1000

、2000

和4000

的3个小组，每个小组做3次用来取平均值，所用的试件是高为7mm，截面直径是6mm的标准银锡合金试件（见图7）。

实验开始前，先说明我们使用的压杆的直径是14.5mm的，应变率是1000

和2000

时用的子弹是30cm的，而应变率是4000

时用的子弹是20cm的（见图8）。

图8.标准银锡合金试件（位于两杆中间）

图9.20cm子弹（上）和30cm子弹（下）

实验开始，由于是第一次测试，此时不知道应变率有多少，所以要浪费一个试件测应变率，测试之前先要对杆，这是非常重要的，只有把杆对得非常齐，才能测得准确的数据，对杆需要耐心，也需要一定的运气，由SHPB装置的简图可知：

一共有4根杆，分别是子弹、入射杆、透射杆和吸能杆，从左往右对，其中需要通过旋转压杆，移动支座和在支座下垫纸等方法来使杆对齐，总之比较费劲，对完杆，打空枪，如果示波器上显示的矩形入射波信号右端的干扰信号比较平缓，说明杆已经对的比较齐了，反之，干扰信号比较尖锐，则说明杆还没对好，还要继续对杆，直到对好。

对好杆，在杆上做上标记，以后对起来就方便了，把两端涂有凡士林的试件夹在入射杆和透射杆之间，在试件两端用恒力挤压，使试件端面与杆的端面充分接触，再在离吸能杆尾部2~3cm处放上一块铅块，当作阻尼装置，接下来用短杆把子弹捅到底，打之前在应变仪上按下电桥平衡，并在示波器上按下single健，之后在加载驱动装置上按下充气开关，在充气过程中要时刻注意示波器的屏幕，看是否误触发，因为在充气过程很容易误触发，一旦误触发，就需要再按一下single健，打完后把数据保存在计算机里，这时就需要用到老师编的SHPB实验数据处理程序了，打开该数据处理程序，读入刚刚采集到的信号数据，我们发现它的波形跟在示波器上显示的是一样的，我们需要依次进行光滑、更新、对基线、对波头和截取波段等操作，截的是反射波与透射波波段，之后就可以看到结果了，包括应变率和应力应变曲线。

调应变率的方法如下：

首先得到需要应变率与已知应变率的比值，然后再在波形图上量出入射波波峰与透射波波峰的差值，之后根据比值和差值，算出需要应变率应该有的差值，然后再由这个差值加上透射波波峰值得到需要应变率应该有的入射波波峰值，在根据这个波峰值在示波器上设置一条基线，之后要进行的就是打空杆了。

设了基线之后，我们就需要调加载驱动装置的气压了，调一下打一下空杆，打空杆就是不放试件，直到示波器上显示的入射波波峰稳定在基线附近。

打完空杆实验才正式开始，由于一开始做的是常温组的实验，所以相对与加温组还是比较简单的，每个应变率小组做3次，先做应变率是1000

的，因为应变率是4000

时，为了更容易达到该应变率需要把30cm长的子弹换成20cm的，此外还需把20cm长的子弹用长捅杆捅到底。

做完常温组的9个实验，把数据保存好就可以做加温组的了，其中实验做的久了还要在应变仪上再按一下电桥平衡。

加温组的实验比常温组多了几个仪器，其中包括热电阻及其变压器，热探头及其数显调节仪，它们是配合使用的，热电阻负责加热，热探头负责测温度，所以我们首先要做的就是把这两个仪器组装起来，为了是热电阻的温控良好，尽量避免热耗散，我们在热电阻的两侧贴上了用过的砂纸，还有经观察热探头在打的过程中很容易碰到压杆，于是我们把它固定在了热电阻上，上面的图中有所显示。

加热组的实验开始，加热组实验基本上跟常温组一样，就是多了个加热的过程，不过就是多了这个过程，工作量可是加了不少，因为温度控制过程是一个很耗时间的过程。

具体过程是这样的，因为很多步骤都是一样的，所以我只讲多出来的步骤，在放试件的时候有一个多出来的步骤，就是先把端面涂有凡士林的试件夹在入射杆与透射杆之间之后，还要通过移动热电阻，使热探头对准试件，以更加准确的测量试件的温度；

还有一个多出来的步骤就是温控过程，首先需要通过调节调压器，加热热电阻，并通过热探头和数显调节仪实时掌控试件的温度，根据热惯性，当温度接近指定温度时，关闭热电阻电源，温度会继续上升，并超过指定温度，接着它会下降，此时，需要再去把杆压压紧，因为根据热胀冷缩原理，杆和试件的接触可能已经不是那么紧密了，当降到指定温度是就可以打了，其它步骤都是一样的，就是多了这两步。

需要注意的是：

每个加热组在开始实验前，都是要通过浪费试件测应变率和打空杆的操作的，因为不同温度下，达到相同的应变率，需要的气压值是不同的。

当然相同温度下，不同应变率之间转换的方式是一样的，就是通过计算，在示波器上设条基线，然后通过打空杆，对基线，再开始实验。

加热组有50℃组、100℃组和150℃组共3组，所以一共要做27次实验，每做完一次实验，就把实验数据保存好，这是最重要的。

接下来就是处理实验数据了，处理实验数据我们需要用到两个软件，一个是之前就在用的MATLAB，还有一个是ORIGIN，用MATLAB的地方就是SHPB实验数据处理程序，我们需要把得到的波形信号数据处理成可用的数据，处理方法在前面已经说到过了，现在要说的是ORIGIN的使用，ORINGIN软件是用来处理图像的，主要是应力应变曲线图和应变率应力曲线图，方法是这样的，首先把由SHPB试验数据处理程序处理完后的数据导入到ORIGIN，再在这些数据里选择需要的数据进行画图，同一组的数据画在一起，并对画好的图形进行就平均值操作，再把这个平均值单独画出来，并进行光滑处理，这样一组数据就处理完了，其他数据也是进行相同的操作。

处理完的图形如下图，包括准静态条件下的图形。

图10（a）.常温下各应变率的应力应变曲线图

图10（b）.50摄氏度下各应变率的应力应变曲线图

图10（c）.100摄氏度下各应变率的应力应变曲线图

图10（d）.150摄氏度下各应变率的应力应变曲线图

图11（a）.1000

应变率下各温度的应力应变曲线图

图11（b）.2000

图11（c）.4000

4实验结果分析

为了更加有效的分析实验结果，我用的是对比的方法。

总的来看，对比的方法分两种，分别是：

①准静态与准静态对比；

②动态与动态对比

1准静态与准静态的对比：

由图6（a）和图