Оценка качества монтажных соединений электронной аппаратуры (стр. 5 из 11)

Релаксация наблюдается и во многих других системах и явлениях. В низкомолекулярных системах типа газа или жидкости подвижность частиц настолько велика, что релаксация заканчивается в кратчайшие промежутки времени, измеряемые тысячными или миллионными долями секунды или еще быстрее. Поэтому в тех системах с влиянием релаксации приходится сталкиваться только при рассмотрении процессов, происходящих с очень большими скоростями. Но в материалах, находящихся в твердом состоянии, затрудненность перемещения частиц, обусловленная различными связями, приводят к тому, что некоторые перемещения частиц происходят медленно. Это приводит к малой скорости соответствующих релаксационных явлений и существенно отражается на многих свойствах. Таким образом, минимальное влияние процесса разрушения на перестройку структура материала связано с обеспечением возможности выбора такого режима испытаний, когда время разрушения материала становится значительно меньше времени релаксации.

Процесс разрушения протекает более или менее постепенно и для своего завершения требует определенного времени

. Это время, необходимое для развития процесса разрушения от момента нагружения тела до момента его разрыва, называется временной прочностью или долговечностью материала [19].

Долговечность разрушаемого материала

, растягивающее напряжение и абсолютная температура Т связаны следующим соотношением:

,(2.1)

где

, и – постоянные, зависящие от природы и структуры материала.

Логарифмируя (2.1), получаем

,(2.2)

где

– энергия активации процесса разрушения.

Эти формулы проверялись на большом количестве разнообразных материалов (металлы, стекла, полимеры, кристаллы и др.) при изменении

на 8-10 порядков и изменении в широких пределах. Как показали опыты, у всех материалов приблизительно одинаково и равно примерно , т. е. близко к периоду колебаний атомов около положений равновесия. Строя зависимость от , для данного , можно экспериментально определить . Установлено, что для металлов хорошо совпадает с энергией сублимации, для полимеров – с энергией термической деструкции, т.е. с энергией разрыва химических связей.

Универсальность полученных закономерностей позволяет заключить, что процесс разрушения твердого тела всегда имеет кинетический характер (т.е. протекает во времени) и природа его для всех тел одинакова. Физический механизм этого процесса представляется в настоящее время следующим образом.

Атомы твердого тела совершают тепловые колебания с периодами

. Под действием тепловых флуктуации время от времени происходит разрыв химических связей. Вероятность этого события, равная , зависит от высоты активационного барьера

и температуры , уменьшаясь с ростом

и понижением . В отсутствие внешнего напряжения (при ) энергия, необходимая для разрыва связи, равна для металлов и для полимеров. Напряжение , созданное в теле, уменьшает энергию активации процесса разрушения с до и тем самым увеличивает вероятность разрыва связей, а следовательно, и число разорванных связей в единице объема.

Образование субмикроскопических областей с разорванными связями и слияние их друг с другом приводит к тому, что тело под действием приложенного напряжения разрушается. Чем выше

, тем сильнее понижается энергия активации, тем быстрее и в большем количестве возникает разорванных связей, поэтому тем меньше требуется времени для развития процесса разрушения.

Таким образом, для обеспечения режима разрушения в отсутствии заметной ползучести необходимо лишь кратковременное незначительное увеличение напряжения над пределом прочности.

Теоретическая прочность твердых тел , рассчитанная по той или иной атомистической модели, во много раз превосходит реальную прочность . В настоящее время принято считать, что такое различие между и объясняется наличием в реальных твердых телах различного рода дефектов, в частности микротрещин, снижающих их прочность [20]. Появление трещины, длиной l, приводит к концентрации напряжений у ее краев, если к образцу приложено растягивающее усилие (рисунок 2.1).

Рисунок 2.1 – Концентрация напряжений у краев трещины

Величина напряжения у края острой трещины, имеющей радиус закругления а, определяется следующим соотношением:

),(2.3)

где

– напряжение у края трещины;

– среднее напряжение в поперечном сечении образца.

Разрушение образца наступает при таком значении

, при котором напряжение достигает теоретической прочности материала :

.(2.4)

Отсюда можно определить реальную прочность материала

:

. (2.5)

Из соотношения (2.5) видно, что реальная прочность тела тем ниже, чем длиннее возникшая в нем трещина и чем меньше радиус кривизныее края. Для того чтобы

составляла 0,01 , достаточно возникновения в теле трещин размером l 1 мкм с радиусом закругления краев, равным параметру решетки.

Таким образом, механизм разрушения соединения основан на зарождении и развитии трещин и микротрещин в среде, сформировавшейся при образовании соединения содержащей дефекты микроструктуры. Значительная концентрация напряжений у краев трещины приводит к условиям, когда время разрушения материала становится значительно меньше времени релаксации, т.е. к обеспечению минимального влияние процесса разрушения на перестройку структуры материала в прилегающих к ПР областях. Практически такие условия могут быть реализованы при таком режиме испытания соединения на прочность, когда значительные деформации достигаются в очень короткий промежуток времени, что приводит к кратковременной ползучести, и процесс характеризуется хрупким разрушением.