球壓測試的影響因素分析

范建波，陳信勇，李俊，林志雄

（珠海格力電器股份有限公司，珠海 519070）

引言

球壓測試是電工電子類產(chǎn)品非金屬材料耐熱性能的重要評估方法。在高溫條件下，非金屬材料、絕緣材料的結(jié)構(gòu)特性會(huì)發(fā)生變化，如熔融或軟化、機(jī)械強(qiáng)度降低、結(jié)構(gòu)尺寸變化，直接影響產(chǎn)品的質(zhì)量和使用的安全性。通過對樣品和測試方法的研究，分析影響結(jié)構(gòu)的綜合因素。

1）試樣的規(guī)格要求：試樣表面平坦，至少長10 mm，寬10 mm。或者直徑至少為10 mm的圓形表面。此條款中需要注意的是試樣的表面需光滑平坦，不允許出現(xiàn)凹凸不平及粗糙的情況。

2）采用強(qiáng)制對流的烘箱，給負(fù)載和支座提供熱量，在測試前將負(fù)載和支座放入烘箱預(yù)熱至少3 h。負(fù)載和支座需充分預(yù)熱時(shí)其熱傳遞充分，保證負(fù)載各處溫度一致。

3）預(yù)熱完成后，在30 s內(nèi)將試樣放入支座并平穩(wěn)的將負(fù)載輕輕地壓在試樣大致中間位置，期間應(yīng)確保壓力球不會(huì)出現(xiàn)除了向下移動(dòng)之外的其它情況。此條款中需要注意的是在不影響負(fù)載放置穩(wěn)定性的情況下，盡可能快地完成負(fù)載的放置，從而保持箱體內(nèi)部的溫度。

4）開箱過程中試驗(yàn)箱溫降不能超過5 ℃，且開箱放置樣品完成后，烘箱溫度應(yīng)在5 min內(nèi)恢復(fù)到指定測試溫度的±2 ℃以內(nèi)。

5）負(fù)載裝置保持在試樣上（60±2）min，時(shí)間結(jié)束后在10 s內(nèi)將試樣放在（20±5）℃的水中保持（6±2）min，時(shí)間結(jié)束后在3 min內(nèi)測量壓痕尺寸[1,2]。

1 穩(wěn)定性

穩(wěn)定性是至關(guān)重要的一個(gè)環(huán)節(jié)。在放置負(fù)載于樣品時(shí)若穩(wěn)定性不足，會(huì)造成負(fù)載在試樣上搖擺、旋轉(zhuǎn)，甚至滑動(dòng)的情況，嚴(yán)重影響壓痕直徑的準(zhǔn)確性。當(dāng)負(fù)載在試樣上搖擺時(shí)，造成壓力球與試樣表面的夾角產(chǎn)品偏差，使試樣的受力情況發(fā)生變化，導(dǎo)致壓痕不規(guī)則。當(dāng)負(fù)載平穩(wěn)接觸放置在試樣瞬間，其受到負(fù)載垂直向下的壓力為負(fù)載重量20 N，即F=20 N，如圖1所示。

隨著試樣受熱受力，負(fù)載壓力球?qū)⒋怪毕聣海嚇邮軘D壓在表面形成規(guī)則的圓形壓痕，其受力如圖2所示，在試樣壓痕的表面各個(gè)方向無限小的面積都受到了垂直于其部分的壓力。

此時(shí)，如圖3所示可以得到試樣與壓力球接觸部分的總壓力F=FN1+FN2+FN3+F4+FN5+FN6+…+FNX

FN1= F1×cosθ1

FN2= F2×cosθ2

FN3= F3×cosθ3

FN4= F4×cos0=F4

FN5= F5×cosθ5

FN6=F6×cosθ6

………

FNX=FX×cosθX

所以 F=20N=F1×cosθ1+F2×cosθ2+F3×cosθ3+F4+F5×cosθ5+ F6×cosθ6+…+ FX×cosθX

當(dāng)負(fù)載在試樣上有左右搖擺時(shí)，如圖4所示為負(fù)載向右傾擺的情況，此時(shí)，負(fù)載的重心將往壓力球的右端偏移，假設(shè)偏移角度為α，試樣右端受到的壓力F右將增大，左端受到的壓力F左將減小，如圖5所示。

圖1 接觸瞬間試樣負(fù)載情況

圖2 負(fù)載過程中試樣表面受力情況

圖3 負(fù)載過程試樣表面總壓力

圖4 負(fù)載向右傾擺

圖5 負(fù)載向右傾擺時(shí)，試樣表面受力情況

分析：如圖6為右端與壓力球接觸面的受力圖，以FX為例，其在垂直方向上的分力將隨偏移角度的變化而變化，由圖分析可得變化后垂直方向上的力為FNX1=，0＜α＜90 °，所以FNX1＞FNX，而FX1=， FX1＞FX，在原來的受力點(diǎn)上，壓力增大，壓力球?qū)⑼嚇咏佑|面垂直方向繼續(xù)深壓，壓痕變深變寬，右端其余受力情況相同。

此時(shí)，以F1為例，圖 7試樣左端與壓力球接觸面受力情況則為 FN1a=FN1×cosα，F(xiàn)N1a＜ FN1a， 而F1a=F1×cosα，在原來的受力點(diǎn)上壓力減小，左端壓痕深度變淺。

當(dāng)負(fù)載向左傾擺時(shí)，與負(fù)載向右傾擺的情況剛好相反，此時(shí)負(fù)載的重心將往壓力球的左端偏移，試樣左端壓痕邊寬變深，右端壓痕變短變淺，如圖8所示。

所以，負(fù)載左右搖擺，會(huì)使壓痕向搖擺方向延伸，使壓痕呈現(xiàn)橢圓狀，致使壓痕直徑變大。如圖9所示，三狀態(tài)分別為負(fù)載平穩(wěn)的狀態(tài)、向左傾斜的狀態(tài)、向右傾斜的狀態(tài)。

對比平穩(wěn)狀態(tài)下，負(fù)載左右搖擺會(huì)增大壓痕的直徑，如圖10所示，虛線為平穩(wěn)狀態(tài)下的壓痕直徑的長度和負(fù)載左右搖擺狀態(tài)下延長的直徑的長度。

由上述可知負(fù)載放置是否穩(wěn)定對測試結(jié)果會(huì)造成影響，所以在放置負(fù)載于試樣時(shí)需要嚴(yán)謹(jǐn)把握其穩(wěn)定性，如壓痕最大直徑與最小直徑之差大于0.2 mm時(shí)需使用相同試樣重復(fù)測試。

2 溫度

圖6 右端與壓力球接觸面的受力圖

圖7 試樣左端與壓力球接觸面受力情況

圖8 負(fù)載向左傾擺時(shí)受力情況

圖9 負(fù)載左右搖擺時(shí)，試樣狀態(tài)

圖10 負(fù)載左右搖擺時(shí)，壓痕情況

由負(fù)載的形狀可知，其截面皆為圓形，風(fēng)機(jī)鼓風(fēng)對負(fù)載的傳熱適用于流體橫掠單管、球體的傳熱效應(yīng)。如圖11所示當(dāng)熱氣流流過負(fù)載所在的位置時(shí)，由于流動(dòng)截面的縮小，流速增加，壓力遞降，而在后半部由于流動(dòng)截面的增加，壓力又回升。此時(shí)在邊界層內(nèi)流體靠本身的動(dòng)量克服壓力增長而向前流動(dòng)，速度分布趨于平緩。近壁的流體層由于動(dòng)量不大，在克服上升的壓力時(shí)顯得越來越困難，終會(huì)出現(xiàn)壁面處速度梯變?yōu)?。隨后產(chǎn)生與原流動(dòng)方向相反的回流，這一轉(zhuǎn)折點(diǎn)稱為繞流脫體的起點(diǎn)（或稱為分離點(diǎn)）[3]。所以，當(dāng)氣流經(jīng)過負(fù)載時(shí)，前端壓力最高，此時(shí)熱量往邊緣聚集，在前滯止點(diǎn)熱量高度聚集，越往中間，負(fù)載所獲得的能量遞減，形成溫度場，如圖12所示，在熱平衡未達(dá)到時(shí)，熱能不斷地從負(fù)載邊緣往中心傳遞，對中心的能量進(jìn)行補(bǔ)充，當(dāng)負(fù)載整體溫度與烘箱溫度保持一致時(shí)，熱平衡系統(tǒng)開始建立。所以標(biāo)準(zhǔn)上有要求負(fù)載必須要在指定試驗(yàn)溫度下的烘箱中放置至少3 h以上，達(dá)到熱平衡后方可放置試驗(yàn)樣品進(jìn)行試驗(yàn)。

球壓測試使用烘箱采用強(qiáng)制對流的方式給負(fù)載提供熱量，在試驗(yàn)開始及過程中保持溫度的衡定是試驗(yàn)的必要條件。特別是在開箱放置樣品及將負(fù)載放置于試樣的時(shí)間段，溫度的控制需要特別關(guān)注。對于測試溫度，需要監(jiān)控兩個(gè)溫度點(diǎn)，采用K型熱電偶來監(jiān)控溫度，其中一個(gè)溫度點(diǎn)放置在試樣支座中心表面下方約3 mm的位置，用于檢查試樣支座的溫度不能顯著偏離試驗(yàn)溫度，另一個(gè)溫度點(diǎn)放置在距離試樣中約50 mm以內(nèi)的位置，用于監(jiān)控試驗(yàn)箱的溫度（如圖13）。

標(biāo)準(zhǔn)要求，該點(diǎn)的溫度應(yīng)在放置試樣完成關(guān)箱后5 min內(nèi)恢復(fù)到指定的試驗(yàn)溫度（±2 ℃），且在放置試樣過程中溫度下降不能超過5 ℃。由于球壓裝置的材料為軸承鋼，其導(dǎo)熱系數(shù)λ≈38 W/（m·K），所以其導(dǎo)熱系數(shù)很高，導(dǎo)熱系數(shù)高的物體加熱和散熱都較導(dǎo)熱系數(shù)低的快，如圖14為在某次測試溫度為120 ℃條件下負(fù)載和試驗(yàn)箱的溫度變化曲線，由曲線可知在開箱放置試樣時(shí)，試驗(yàn)箱中的熱量向外流失使其溫度下降，由于負(fù)載的溫度高于試驗(yàn)箱的溫度而存在溫度差，由熱力學(xué)第二定律可知，熱能會(huì)自發(fā)的從高溫物體向低溫物體傳遞，此時(shí)熱量將由負(fù)載傳遞給試驗(yàn)箱內(nèi)的空氣中。負(fù)載的溫度下降會(huì)使壓力球接觸試樣時(shí)的溫度達(dá)不到測試溫度的要求，會(huì)影響壓入過程中的熱量的交換。

3 壓痕直徑

圖11 熱氣流流經(jīng)負(fù)載時(shí)情況

圖12 溫度場示意圖

圖13 熱電偶放置位置示意圖

圖14 測試溫度120 ℃條件下負(fù)載和試驗(yàn)箱的溫度變化曲線

圖15 橢圓形壓痕

圖16 壓痕存在向上的變形

壓痕直徑是判定試驗(yàn)合格與否的最終指標(biāo)，所有的試驗(yàn)過程都是為了得到一個(gè)精確的壓痕直徑數(shù)據(jù)。在測試完成后，需在10 s內(nèi)將試樣從試驗(yàn)箱中取出并迅速放入（20±5）℃的水中放置6 min，然后拿出在3 min內(nèi)在顯微鏡下觀察壓痕的直徑。由于材料、溫度、操作等因素的影響，所形成的壓痕的形狀也會(huì)不一致。以下為不同形態(tài)的壓痕，所形成的原因也各有差異。

3.1 壓痕為橢圓形

由于負(fù)載的擺動(dòng)會(huì)造成擺動(dòng)方向的壓痕延伸，這對于壓痕直徑的判定是不利的，當(dāng)壓痕的最大直徑與最小直徑的差值大于0.2 mm時(shí)，此次試驗(yàn)的壓痕不作為有效的試驗(yàn)結(jié)果[4]，需用同種材料重復(fù)測試，以得到準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。圖15為橢圓狀壓痕顯示的最大與最小直徑，最大直徑為1.8 mm，最小直徑為1.58 mm，因兩者之差大于0.2 mm，所以此次測試的壓痕為無效。

3.2 壓痕存在向上的變形

由于某些材料的性質(zhì)，當(dāng)材料受壓力球的擠壓后，會(huì)在壓痕的邊緣形成向上凸起的變形，依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 5169.21-2017，壓痕直徑是能測量出從壓痕的一端清晰邊界到另一端清晰邊界的最大距離，且應(yīng)排除任何向上的變形。所以，當(dāng)壓痕的形狀存在向上的變形時(shí)，應(yīng)去除變形的影響 如圖16所示，材料在受熱后，因其特性，會(huì)在擠壓后變形向上，此時(shí)在衡量壓痕邊界時(shí)不應(yīng)考慮向上變形的部分，而是取壓力球與壓痕接觸相切的切點(diǎn)作為壓痕的最大直徑。

3.3 壓痕不規(guī)則

當(dāng)測試的試樣為非均質(zhì)的材料時(shí)（如玻璃鋼等材料）會(huì)出現(xiàn)壓痕不規(guī)則的情況，壓痕沒有很清晰的臨界線，因玻璃鋼等材料相較其他均質(zhì)材料硬度會(huì)比較高，當(dāng)壓力球下壓的時(shí)候，試樣材料內(nèi)部相互間會(huì)形成內(nèi)應(yīng)力，造成壓痕邊緣部分材料塌陷。對于這類材料，需取其從一清晰邊緣到另一清晰邊緣的最大距離作為壓痕直徑，且與最小距離的差不能大于0.2 mm。

4 總結(jié)

球壓測試是研究材料在高溫及過熱應(yīng)力下的軟化和材料流動(dòng)性性能。本文從操作穩(wěn)定性、溫度、壓痕直徑、壓痕邊界判斷等詮釋測試的影響因素，確保測試結(jié)果的準(zhǔn)確性，提升產(chǎn)品的設(shè)計(jì)質(zhì)量。