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上海徐吉電氣有限公司
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低壓電器球壓試驗的研究
2010-4-21 閱讀(5344)
低壓電器球壓試驗的研究
由于球壓試驗受外部條件影響的因素較多，如溫度、時間。壓痕直徑有時在1 mm之內(nèi)，對于很小的距離而言，對壓痕的測量點的選擇不同，使用不同的測量儀器都可能得到不同的測試數(shù)據(jù)，產(chǎn)生差異，所以球壓試驗也常被作為試驗室間的比對試驗項目及比對試驗項目。但在低壓試驗室常用的標準如GB16917.1—2003和IEC61009—1∶1996的條款9.14耐熱試驗中并未詳細講解球壓試驗的過程和壓痕直徑的測量方法。本文將針對球壓試驗進行詳細講解和分析，探討對壓痕邊界的確定方法。
1 球壓試驗的儀器準備和試驗過程
1.1 儀器設備
應準備符合標準要求的試驗儀器設備：球壓試驗裝置、鼓風干燥箱、溫度數(shù)據(jù)記錄儀、測量壓痕用的顯微鏡或投影儀等、記錄時間的電子秒表或其他有效計時儀器。所有設備都確保在有效期內(nèi)使用。
應注意球壓試驗裝置的末端應為完整球形，不可采用不完整球形，如圖1所示。而以前所用的球壓試驗裝置如圖2所示，因為其末端為不完整球形，所以固定的錐面很大程度會影響產(chǎn)生壓痕的大小。鼓風干燥箱的容積/體積也應詳細記錄。
1.2 試驗過程
將球壓試驗裝置和樣品支架一并放入加熱箱。在預定放樣品處放好熱電偶，使用熱電偶是因為很多加熱箱的指示溫度和箱內(nèi)的實際溫度并不一致，尤其是樣塊附近處的溫度更應準確測量。設定加熱箱溫度為要求溫度，設定加熱箱工作時間為24 h。試驗室的經(jīng)驗交流中也規(guī)定了對于200 ℃以上的溫度，往往需要13 h以上的預熱時間。對加熱箱工作過程中檢驗員應多次記錄箱內(nèi)實際的溫度變化情況，以便知道箱內(nèi)溫度何時達到熱平衡。
事先將支架放入加熱箱是為了減少支架帶給試驗結(jié)果的影響，如果等加熱箱達到熱平衡后才放入支架，支架要吸收大量的熱，延長加熱箱下一次達到熱平衡的時間，減小了樣品在試驗溫度下的作用時間，降低了試驗的嚴酷條件。
頻繁記錄加熱箱內(nèi)溫度，待達到熱平衡后，在該時刻t+10s時打開加熱箱，把樣品放進箱內(nèi)的支架上并壓好球壓裝置。繼續(xù)記錄溫度變化過程。IEC 60695—10—2∶2003對試驗樣品有嚴格的規(guī)定，所以放入箱內(nèi)的樣塊應滿足該要求：厚度≥ 2.5 mm;試驗樣品應為邊長≥ 10 mm 的正方形或直徑≥ 10 mm 的圓，厚度為（3.0±0.5）mm ，表面應平整。
開箱后，箱內(nèi)的溫度急劇下降，關(guān)箱后箱內(nèi)溫度需要重新調(diào)節(jié)平衡，為減少開箱造成的溫度波動幅度，要注意應盡可能地縮短開箱時間，也要減小剛達到設定溫度時的上沖溫度，具體做法：關(guān)箱后可把加熱箱的設定溫度調(diào)到略低于試驗溫度，當達到溫度時再把加熱箱的設定溫度設定到試驗溫度。放置樣品要確保球壓裝置在樣品上不再產(chǎn)生任何移動。也就是說鼓風干燥試驗箱的熱空氣循環(huán)流動不允許干擾放置樣品的中央位置，熱氣流應沿箱邊緣流動，放置區(qū)域的溫度必須均勻一致;箱門的關(guān)閉不能造成球壓裝置在樣品上的位移，否則壓痕必有重印，影響試驗結(jié)果的準確性。
2 測量壓痕
試驗中zui重要也是zui難的一步就是壓痕測量。經(jīng)過規(guī)定的試驗時間后，從樣品上移開球壓試驗裝置，在10 s內(nèi)（注意記錄時間）將試品浸入室溫下的水中。為了使樣品接近室溫，在水中冷卻的時間允許不超過10 min，除去水痕，要在從水中移出的3 min內(nèi)測量壓痕直徑d。理論上：壓痕直徑為兩切點zui大間距，切點是球壓裝置末端的球面于壓痕凹面的幾何相切。常見的壓痕形式有圓和非圓兩種，如圖3、圖4 所示。壓痕直徑的確定依賴于壓痕邊界的確定，而邊界的確定依賴于測量手段：使用數(shù)字游標卡尺的結(jié)果離散性較大;精密投影儀針對的是橫切切片，不可橫切的球壓樣品只能透射投影測量，投影屏上的圓形陰影的邊界仍難確定。較理想的設備是具備合適光度條件（發(fā)光強度、入射角度）輔助照明的讀數(shù)顯微鏡，如測量儀器應具有10 倍放大倍數(shù)，裝有被測量的標線或正交位移線的測量平臺，且有一個燈裝置用來照亮測量的壓痕表面。由于要在從水中移出的3 min內(nèi)測量壓痕直徑，規(guī)定的時間很短，在樣品將取出前應將顯微鏡調(diào)整好，以便在規(guī)定時間內(nèi)順利測量壓痕。注意取出樣品的每一步規(guī)定的時間范圍，用秒表記錄。
壓痕的測量應從壓力球和樣品表面相切處進行測量，測量時應扣除材料變形部分的尺寸。對于非圓壓痕，如其剖面可能呈“U/V/M”形的壓痕直徑應在壓痕直徑的zui大部位來測量。
從實際操作中知道，如圖3、圖4 所示的這種剖面圖是理想化的測量狀態(tài)，在實際操作中不可能有縱向或橫向的剖面圖來確定壓痕的邊界，因此我們提出三種確定壓痕邊界的方法：①用有色印油涂在壓痕上，顯出壓痕邊界或在樣品壓痕面蒙一層薄的白紙，用鉛筆在紙上輕輕描出邊緣痕跡，用讀數(shù)顯微鏡測量zui大值，zui小值，然后取中間值作為測試結(jié)果。②從認證認可角度，采取zui嚴酷的辦法：取其zui大壓痕，作為zui終結(jié)果（在目前的比對試驗中，基本采用這種方法）。實際的壓痕必然在這個zui大值內(nèi)。③可以使用直接*成像和讀取壓痕直徑數(shù)據(jù)的設備如硬度計。但這類無損檢測（Non-destructive testing）設備一般價格高昂，如果是檢測機構(gòu)恰好有該類設備則可應用于測量壓痕;如果沒有，則應參考前者選用合適放大倍數(shù)的顯微鏡或卡尺，選取準確的壓痕邊緣，確定直徑范圍。
既然標準要求在從水中移出的3 min內(nèi)測量壓痕直徑，所以讀數(shù)顯微鏡、投影儀硬件的準備很重要，應多次熟練顯微鏡或投影儀的操作，以變在試驗后能準備好隨時測量。 試驗后能記錄（手繪）材料變形示意圖。
3 結(jié)束語
球壓試驗看似簡單，實則不然，要確保球壓試驗結(jié)果的準確性就要嚴格依照標準要求，提前準備好設備和記錄，多考慮試驗過程中的各種因素對檢測結(jié)果的影響，尤其是壓痕邊界的確定，對于有時間和溫度要求的內(nèi)容，針對可能出現(xiàn)的影響，尋求有效可行的解決辦法，對于困難的測量點要多想方法，并參考行業(yè)內(nèi)和上的實際經(jīng)驗，才能更好地完成試驗。
1 球壓試驗的儀器準備和試驗過程
1.1 儀器設備
應準備符合標準要求的試驗儀器設備：球壓試驗裝置、鼓風干燥箱、溫度數(shù)據(jù)記錄儀、測量壓痕用的顯微鏡或投影儀等、記錄時間的電子秒表或其他有效計時儀器。所有設備都確保在有效期內(nèi)使用。
應注意球壓試驗裝置的末端應為完整球形，不可采用不完整球形，如圖1所示。而以前所用的球壓試驗裝置如圖2所示，因為其末端為不完整球形，所以固定的錐面很大程度會影響產(chǎn)生壓痕的大小。鼓風干燥箱的容積/體積也應詳細記錄。
1.2 試驗過程
將球壓試驗裝置和樣品支架一并放入加熱箱。在預定放樣品處放好熱電偶，使用熱電偶是因為很多加熱箱的指示溫度和箱內(nèi)的實際溫度并不一致，尤其是樣塊附近處的溫度更應準確測量。設定加熱箱溫度為要求溫度，設定加熱箱工作時間為24 h。試驗室的經(jīng)驗交流中也規(guī)定了對于200 ℃以上的溫度，往往需要13 h以上的預熱時間。對加熱箱工作過程中檢驗員應多次記錄箱內(nèi)實際的溫度變化情況，以便知道箱內(nèi)溫度何時達到熱平衡。
事先將支架放入加熱箱是為了減少支架帶給試驗結(jié)果的影響，如果等加熱箱達到熱平衡后才放入支架，支架要吸收大量的熱，延長加熱箱下一次達到熱平衡的時間，減小了樣品在試驗溫度下的作用時間，降低了試驗的嚴酷條件。
頻繁記錄加熱箱內(nèi)溫度，待達到熱平衡后，在該時刻t+10s時打開加熱箱，把樣品放進箱內(nèi)的支架上并壓好球壓裝置。繼續(xù)記錄溫度變化過程。IEC 60695—10—2∶2003對試驗樣品有嚴格的規(guī)定，所以放入箱內(nèi)的樣塊應滿足該要求：厚度≥ 2.5 mm;試驗樣品應為邊長≥ 10 mm 的正方形或直徑≥ 10 mm 的圓，厚度為（3.0±0.5）mm ，表面應平整。
開箱后，箱內(nèi)的溫度急劇下降，關(guān)箱后箱內(nèi)溫度需要重新調(diào)節(jié)平衡，為減少開箱造成的溫度波動幅度，要注意應盡可能地縮短開箱時間，也要減小剛達到設定溫度時的上沖溫度，具體做法：關(guān)箱后可把加熱箱的設定溫度調(diào)到略低于試驗溫度，當達到溫度時再把加熱箱的設定溫度設定到試驗溫度。放置樣品要確保球壓裝置在樣品上不再產(chǎn)生任何移動。也就是說鼓風干燥試驗箱的熱空氣循環(huán)流動不允許干擾放置樣品的中央位置，熱氣流應沿箱邊緣流動，放置區(qū)域的溫度必須均勻一致;箱門的關(guān)閉不能造成球壓裝置在樣品上的位移，否則壓痕必有重印，影響試驗結(jié)果的準確性。
2 測量壓痕
試驗中zui重要也是zui難的一步就是壓痕測量。經(jīng)過規(guī)定的試驗時間后，從樣品上移開球壓試驗裝置，在10 s內(nèi)（注意記錄時間）將試品浸入室溫下的水中。為了使樣品接近室溫，在水中冷卻的時間允許不超過10 min，除去水痕，要在從水中移出的3 min內(nèi)測量壓痕直徑d。理論上：壓痕直徑為兩切點zui大間距，切點是球壓裝置末端的球面于壓痕凹面的幾何相切。常見的壓痕形式有圓和非圓兩種，如圖3、圖4 所示。壓痕直徑的確定依賴于壓痕邊界的確定，而邊界的確定依賴于測量手段：使用數(shù)字游標卡尺的結(jié)果離散性較大;精密投影儀針對的是橫切切片，不可橫切的球壓樣品只能透射投影測量，投影屏上的圓形陰影的邊界仍難確定。較理想的設備是具備合適光度條件（發(fā)光強度、入射角度）輔助照明的讀數(shù)顯微鏡，如測量儀器應具有10 倍放大倍數(shù)，裝有被測量的標線或正交位移線的測量平臺，且有一個燈裝置用來照亮測量的壓痕表面。由于要在從水中移出的3 min內(nèi)測量壓痕直徑，規(guī)定的時間很短，在樣品將取出前應將顯微鏡調(diào)整好，以便在規(guī)定時間內(nèi)順利測量壓痕。注意取出樣品的每一步規(guī)定的時間范圍，用秒表記錄。
壓痕的測量應從壓力球和樣品表面相切處進行測量，測量時應扣除材料變形部分的尺寸。對于非圓壓痕，如其剖面可能呈“U/V/M”形的壓痕直徑應在壓痕直徑的zui大部位來測量。
從實際操作中知道，如圖3、圖4 所示的這種剖面圖是理想化的測量狀態(tài)，在實際操作中不可能有縱向或橫向的剖面圖來確定壓痕的邊界，因此我們提出三種確定壓痕邊界的方法：①用有色印油涂在壓痕上，顯出壓痕邊界或在樣品壓痕面蒙一層薄的白紙，用鉛筆在紙上輕輕描出邊緣痕跡，用讀數(shù)顯微鏡測量zui大值，zui小值，然后取中間值作為測試結(jié)果。②從認證認可角度，采取zui嚴酷的辦法：取其zui大壓痕，作為zui終結(jié)果（在目前的比對試驗中，基本采用這種方法）。實際的壓痕必然在這個zui大值內(nèi)。③可以使用直接*成像和讀取壓痕直徑數(shù)據(jù)的設備如硬度計。但這類無損檢測（Non-destructive testing）設備一般價格高昂，如果是檢測機構(gòu)恰好有該類設備則可應用于測量壓痕;如果沒有，則應參考前者選用合適放大倍數(shù)的顯微鏡或卡尺，選取準確的壓痕邊緣，確定直徑范圍。
既然標準要求在從水中移出的3 min內(nèi)測量壓痕直徑，所以讀數(shù)顯微鏡、投影儀硬件的準備很重要，應多次熟練顯微鏡或投影儀的操作，以變在試驗后能準備好隨時測量。 試驗后能記錄（手繪）材料變形示意圖。
3 結(jié)束語
球壓試驗看似簡單，實則不然，要確保球壓試驗結(jié)果的準確性就要嚴格依照標準要求，提前準備好設備和記錄，多考慮試驗過程中的各種因素對檢測結(jié)果的影響，尤其是壓痕邊界的確定，對于有時間和溫度要求的內(nèi)容，針對可能出現(xiàn)的影響，尋求有效可行的解決辦法，對于困難的測量點要多想方法，并參考行業(yè)內(nèi)和上的實際經(jīng)驗，才能更好地完成試驗。
