低壓電器球壓試驗(yàn)的研究

由于球壓試驗(yàn)受外部條件影響的因素較多，如溫度、時(shí)間。壓痕直徑有時(shí)在1 mm之內(nèi)，對(duì)于很小的距離而言，對(duì)壓痕的測(cè)量點(diǎn)的選擇不同，使用不同的測(cè)量?jī)x器都可能得到不同的測(cè)試數(shù)據(jù)，產(chǎn)生差異，所以球壓試驗(yàn)也常被作為試驗(yàn)室間的比對(duì)試驗(yàn)項(xiàng)目及比對(duì)試驗(yàn)項(xiàng)目。但在低壓試驗(yàn)室常用的標(biāo)準(zhǔn)如GB16917.1—2003和IEC61009—1∶1996的條款9.14耐熱試驗(yàn)中并未詳細(xì)講解球壓試驗(yàn)的過(guò)程和壓痕直徑的測(cè)量方法。本文將針對(duì)球壓試驗(yàn)進(jìn)行詳細(xì)講解和分析，探討對(duì)壓痕邊界的確定方法。

　　1 球壓試驗(yàn)的儀器準(zhǔn)備和試驗(yàn)過(guò)程

　　1.1 儀器設(shè)備

　　應(yīng)準(zhǔn)備符合標(biāo)準(zhǔn)要求的試驗(yàn)儀器設(shè)備：球壓試驗(yàn)裝置、鼓風(fēng)干燥箱、溫度數(shù)據(jù)記錄儀、測(cè)量壓痕用的顯微鏡或投影儀等、記錄時(shí)間的電子秒表或其他有效計(jì)時(shí)儀器。所有設(shè)備都確保在有效期內(nèi)使用。

　　應(yīng)注意球壓試驗(yàn)裝置的末端應(yīng)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(yàn)裝置如圖2所示，因?yàn)槠淠┒藶椴煌暾蛐?，所以固定的錐面很大程度會(huì)影響產(chǎn)生壓痕的大小。鼓風(fēng)干燥箱的容積/體積也應(yīng)詳細(xì)記錄。

　　1.2 試驗(yàn)過(guò)程

　　將球壓試驗(yàn)裝置和樣品支架一并放入加熱箱。在預(yù)定放樣品處放好熱電偶，使用熱電偶是因?yàn)楹芏嗉訜嵯涞闹甘緶囟群拖鋬?nèi)的實(shí)際溫度并不一致，尤其是樣塊附近處的溫度更應(yīng)準(zhǔn)確測(cè)量。設(shè)定加熱箱溫度為要求溫度，設(shè)定加熱箱工作時(shí)間為24 h。試驗(yàn)室的經(jīng)驗(yàn)交流中也規(guī)定了對(duì)于200 ℃以上的溫度，往往需要13 h以上的預(yù)熱時(shí)間。對(duì)加熱箱工作過(guò)程中檢驗(yàn)員應(yīng)多次記錄箱內(nèi)實(shí)際的溫度變化情況，以便知道箱內(nèi)溫度何時(shí)達(dá)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(yàn)結(jié)果的影響，如果等加熱箱達(dá)到熱平衡后才放入支架，支架要吸收大量的熱，延長(zhǎng)加熱箱下一次達(dá)到熱平衡的時(shí)間，減小了樣品在試驗(yàn)溫度下的作用時(shí)間，降低了試驗(yàn)的嚴(yán)酷條件。

　　頻繁記錄加熱箱內(nèi)溫度，待達(dá)到熱平衡后，在該時(shí)刻t+10s時(shí)打開(kāi)加熱箱，把樣品放進(jìn)箱內(nèi)的支架上并壓好球壓裝置。繼續(xù)記錄溫度變化過(guò)程。IEC 60695—10—2∶2003對(duì)試驗(yàn)樣品有嚴(yán)格的規(guī)定，所以放入箱內(nèi)的樣塊應(yīng)滿足該要求：厚度≥ 2.5 mm;試驗(yàn)樣品應(yīng)為邊長(zhǎng)≥ 10 mm 的正方形或直徑≥ 10 mm 的圓，厚度為（3.0±0.5）mm ，表面應(yīng)平整。

　　開(kāi)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(kāi)箱造成的溫度波動(dòng)幅度，要注意應(yīng)盡可能地縮短開(kāi)箱時(shí)間，也要減小剛達(dá)到設(shè)定溫度時(shí)的上沖溫度，具體做法：關(guān)箱后可把加熱箱的設(shè)定溫度調(diào)到略低于試驗(yàn)溫度，當(dāng)達(dá)到溫度時(shí)再把加熱箱的設(shè)定溫度設(shè)定到試驗(yàn)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(dòng)。也就是說(shuō)鼓風(fēng)干燥試驗(yàn)箱的熱空氣循環(huán)流動(dòng)不允許干擾放置樣品的中央位置，熱氣流應(yīng)沿箱邊緣流動(dòng)，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(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性。

　　2 測(cè)量壓痕

　　試驗(yàn)中zui重要也是zui難的一步就是壓痕測(cè)量。經(jīng)過(guò)規(guī)定的試驗(yàn)時(shí)間后，從樣品上移開(kāi)球壓試驗(yàn)裝置，在10 s內(nèi)（注意記錄時(shí)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(shí)間允許不超過(guò)10 min，除去水痕，要在從水中移出的3 min內(nèi)測(cè)量壓痕直徑d。理論上：壓痕直徑為兩切點(diǎn)zui大間距，切點(diǎn)是球壓裝置末端的球面于壓痕凹面的幾何相切。常見(jiàn)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(cè)量手段：使用數(shù)字游標(biāo)卡尺的結(jié)果離散性較大;精密投影儀針對(duì)的是橫切切片，不可橫切的球壓樣品只能透射投影測(cè)量，投影屏上的圓形陰影的邊界仍難確定。較理想的設(shè)備是具備合適光度條件（發(fā)光強(qiáng)度、入射角度）輔助照明的讀數(shù)顯微鏡，如測(cè)量?jī)x器應(yīng)具有10 倍放大倍數(shù)，裝有被測(cè)量的標(biāo)線或正交位移線的測(cè)量平臺(tái)，且有一個(gè)燈裝置用來(lái)照亮測(cè)量的壓痕表面。由于要在從水中移出的3 min內(nèi)測(cè)量壓痕直徑，規(guī)定的時(shí)間很短，在樣品將取出前應(yīng)將顯微鏡調(diào)整好，以便在規(guī)定時(shí)間內(nèi)順利測(cè)量壓痕。注意取出樣品的每一步規(guī)定的時(shí)間范圍，用秒表記錄。

　　壓痕的測(cè)量應(yīng)從壓力球和樣品表面相切處進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量時(shí)應(yīng)扣除材料變形部分的尺寸。對(duì)于非圓壓痕，如其剖面可能呈“U/V/M”形的壓痕直徑應(yīng)在壓痕直徑的zui大部位來(lái)測(cè)量。

　　從實(shí)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(cè)量狀態(tài)，在實(shí)際操作中不可能有縱向或橫向的剖面圖來(lái)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(cè)量zui大值，zui小值，然后取中間值作為測(cè)試結(jié)果。②從認(rèn)證認(rèn)可角度，采取zui嚴(yán)酷的辦法：取其zui大壓痕，作為zui終結(jié)果（在目前的比對(duì)試驗(yàn)中，基本采用這種方法）。實(shí)際的壓痕必然在這個(gè)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(shè)備如硬度計(jì)。但這類無(wú)損檢測(cè)（Non-destructive testing）設(shè)備一般價(jià)格高昂，如果是檢測(cè)機(jī)構(gòu)恰好有該類設(shè)備則可應(yīng)用于測(cè)量壓痕;如果沒(méi)有，則應(yīng)參考前者選用合適放大倍數(shù)的顯微鏡或卡尺，選取準(zhǔn)確的壓痕邊緣，確定直徑范圍。

　　既然標(biāo)準(zhǔn)要求在從水中移出的3 min內(nèi)測(cè)量壓痕直徑，所以讀數(shù)顯微鏡、投影儀硬件的準(zhǔn)備很重要，應(yīng)多次熟練顯微鏡或投影儀的操作，以變?cè)谠囼?yàn)后能準(zhǔn)備好隨時(shí)測(cè)量。 試驗(yàn)后能記錄（手繪）材料變形示意圖。

　　3 結(jié)束語(yǔ)

    　球壓試驗(yàn)看似簡(jiǎn)單，實(shí)則不然，要確保球壓試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性就要嚴(yán)格依照標(biāo)準(zhǔn)要求，提前準(zhǔn)備好設(shè)備和記錄，多考慮試驗(yàn)過(guò)程中的各種因素對(duì)檢測(cè)結(jié)果的影響，尤其是壓痕邊界的確定，對(duì)于有時(shí)間和溫度要求的內(nèi)容，針對(duì)可能出現(xiàn)的影響，尋求有效可行的解決辦法，對(duì)于困難的測(cè)量點(diǎn)要多想方法，并參考行業(yè)內(nèi)和上的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，才能更好地完成試驗(yàn)。