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1、96.5Sn-3.5Ag钎料合金的时相关单轴应变循环变形行为及其本构关系研究第24卷第3期2007年9月应用力学CHINESEJoURNALOFAPPLIEDMECHANICSVo1.24NO.3Sep.2007文章编号:i000—4939(2007)03—0429-0596.5Sn一3.5Ag钎料合金的时相关单轴应变循环变形行为及其本构关系研究罗艳杨显杰高(西南交通大学61003I庆蔡力勋成都)摘要:在室温下对96.5Sn一3.5Ag钎料合金进行了不同加载波形下的单轴应变循环实验.研究了在具有不同
2、保持时间,不同应变率,不同应变幅值及其历史对材料的循环变形行为的影响.基于材料时相关变形行为,提出了统一粘塑性本构模型,并对该材料的变形行为进行本构模拟.实验结果表明:该钎料合金单轴变形行为具有应变率保持时间以及应变幅值依赖性.本构关系的预言结果与实验结果吻合得一致性说明该种模型能够很好地描述材料的单轴应变循环变形行为.关键词:钎料合金;时相关变形;保持时间;应变率;循环加载;粘塑性;本构模型中图分类号:O344;TGll3.25文献标识码:A1引言在世界各国日益重视环保的今天,无铅钎料合金的开发已
3、成为世界上微电子公司的重要研究项目,96.5Sn-3.5Ag作为一种无铅焊料合金,是一种很有前途的替代钎料.钎料合金常常受到由热应力引起的应变循环作用,在高归一化温度下蠕变起非常重要的作用n].在服役条件下,由于热膨胀系数差会引起钎焊接头受到循环载荷的作用.为了对钎焊接头进行可靠性设计与评估,必须对钎焊接头材料的温度和时间相关变形行为深入研究,建立能准确描述其行为的材料本构模型.电子封装系统的行为和可靠性强烈地依赖于钎料合金的粘塑性变形阻力,尽管对63Sn/37Pb钎料合金的温度,应变率和时间相关变
4、形行为已有较深入的研究.],但对钎料合金96.5Sn一3.5Ag的变形行为研究仍有待深入进行,其时相关统一粘塑性模型也有待进一步研究.本文在室温下对96.5Sn一3.5Ag钎料合金开展了具有不同应变率,不同保持时间,不同应变幅值下的单轴应变循环实验,揭示了在保持时间,应变率,应变幅值及其历史对材料的循环变形行为的影响.在此基础上,提出了统一粘塑性本构模型,并通过模拟其在单轴应变循环控制下不同加载条件的变形行为来检验其预言能力.2实验结果与讨论2.1应变率及其历史对循环应力一应变行为的影响对试样进行应
5、变幅值为±0.005,而应变率历史为①5×l0/s(2c)一②2×l0/s(10c)一③l×l0/s(20c)一①2xlO/s(5c)一⑤5×lO/s(2c)一⑥l×l0/s(1Oc)一⑦2×lO一/s(5c)一⑧5×10/s(2c)的应变控制循环试验,C为每一工况循环次数.应力一时间关系如图1所示.从图中可以看到,当应变率升高时,循环应力幅值明显增高;在给定应变率下,材料随循环周次增加而产生少量的循环软化;当应变率从高变到低时,循环应力幅值*基金项目:国家自然科学基金(10372086);教育部博
6、士点基金(20040613002)来稿日期:2005—10—12修回日期:2006—03—24第一作者简介:罗艳,女,I980年生,西南交通大学应用力学与工程系,博士生}研究方向——固体的断裂,损伤与本构关系.43O应用力学第24卷也相应降低.由此可见,在给定应变幅值下,应力幅值强烈地依赖于应变率.比较相同应变率的情形①,⑤,③时可发现:情形⑤的应力幅值较情形①时稍小,情形⑧时较情形⑤时稍小.先前循环历史的高应变率下,先前历史的循环周次越多,后继循环应力幅值的减小就越明显.但在本实验循环周次较少的条
7、件下,这种循环软化非常小.如果将循环变形使得材料的晶粒尺寸增大导致的循环软化分开,可以认为此材料无明显的先前最大应变率历史效应.羔图1实验.t关系图2.2应变幅值及其历史对循环行为的影响对试样进行应变率为一2×10_"/s,加载路径为:①±0.2O(5c)一②±0.3O(5c)一③±0.4O(5c)一④±0.5O(5c)一⑤±0.39/6(5c)一⑥±0.8O(5c)一⑦±0.59/6(5c)一⑧±1.0O(5c)一⑨±0.5%(5c)的应变控制加载试验.其一￡关系及应力时间关系分别如图2所示.从图
8、中可以看出:在相同应变幅值下,其一e滞后圈图差别很小,且应变幅值越大,应力幅值也有所增大.图3为此种路径下情形④,⑦,⑨时的一￡滞后圈图,情形④,⑦,⑨的应力幅值(MPa)分别为32.633,32.590,32.822.可见,尽管处在不同的加载历史下,在相同的应变幅值和应变率下,应力幅值却相差不大.可以认为,在忽略循环软化的条件下,此材料的循环变形行为只依赖当前循环加载条件而与加载历史无明显关系.2.3保持时间及其历史对循环变形行为的影响对试样进行应变幅值为i0.00
