低温烧结纳米银焊膏全寿命棘轮行为的本构描述

低温烧结纳米银焊膏全寿命棘轮行为的本构描述材料或者结构在承受非对称循环载荷的过程中,会产生循环非弹性变形累积,这种现象称为材料的棘轮效应。在电子封装领域,由于基体和器件的热膨胀系数和环境温度的不同,会使得连接材料产生棘轮效应。为了描述低温烧结纳米银焊膏作为连接材料所表现出的全寿命棘轮变形行为,考虑焊膏内部孔洞和裂纹的演化对棘轮变形的影响,本论文提出了温度相关的耦合损伤粘塑性本构模型并进行该模型的有限元实现,描述焊膏的全寿命棘轮行为。选题具有重要理论意义,创新性强,实用应用价值高。利用欧拉径向后退算法实现OW-AF模型的应力更新，算例验证了欧拉算法对于实现应力更新的高效性和收敛性。在热力学和连续损伤力学框架基础上,得到耦合损伤的本构方程，并引入了Arrhenius温度相关项修正流动率。在低温烧结纳米银焊膏单轴全寿命棘轮实验数据的基础上，通过棘轮实验中纳米银焊膏弹性模量的衰减，量化其损伤演化率，其可以分为三个阶段:第一阶段为初始瞬态累积阶段;第二阶段为占据大部分寿命的稳定累积阶段;第三阶段为失效前的急剧增大的阶段。从损伤变量数值看，三种加载条件失效前的损伤因子数值为0.35左右。此外归一化条件下损伤演化过程具有相似的规律，使得e函数法可以比较准确描述各种应力条件下损伤的演化过程。在本构模型计算中，纳米银焊膏单轴拉伸性能有明显的温度相关性，而耦合损伤模型由于引入了Arrhenius温度相关项,可以对不同温度下拉伸性能做出很好的描述。全寿命棘轮描述中，由于损伤的存在加速棘轮应变累积，使得耦合损伤的本构模型计算结果与实验数据吻合较好。另外耦合损伤本构模型也可较好地描述纳米银焊膏不同温度下的全寿命棘轮行为。在耦合损伤本构模型的有限元实现中，利用FORTRAN语言编写用户子程序，在子程序中嵌入损伤变量,并实现损伤变量的演化。得到一个单元下有限元计算结果，发现有限元计算结果和模型计算结果高度吻合，证明耦合损伤模型在有限元实现的准确性。之后进行纳米银焊膏作为粘接材料的搭接结构件的有限元计算，结果表明考虑损伤变量的影响耦合损伤模型预测的棘轮应变明显高于无损伤模型。