布氏硬度計在球壓試驗壓痕測定中的應用

大連產品質量檢驗檢測研究院有限公司 遼寧 大連 116035

1 引言

非金屬材料的球壓試驗是電工電子產品著火試驗中常見的一種試驗,試驗的目的是用于確認絕緣材料的耐受非正常熱的能力,甄別電工電子產品所用的絕緣材料在合理可預見的情況下可能發生的和潛在的耐受非正常熱情況,將風險控制在可接受的范圍內。例如,絕緣材料在某個溫度的持續作用下,材料變形不足以導致支撐或固定帶電部件的措施失效或致使電氣間隙或爬電距離降低到影響安全的程度。

球壓試驗后的壓痕測量是整個試驗的一個關鍵節點,通常使用的設備都是帶有十字叉絲線的讀數顯微鏡。由于絕緣材料性能的多樣性,顏色有深色有淺色,再加上材料表面光滑程度不一,反光情況差異較大,使得較小的壓痕,尤其是1mm以下的壓痕更加難以準確測量。本文通過測量原理的對比,引入一種準確測量球壓試驗壓痕測量方法,并通過了實踐驗證。

2 球壓試驗壓痕測量與布什硬度計測量原理對比

球壓試驗的主要原理是利用一個重力為20N±0.2N的負載裝置,通過一個直徑5mm±0.05mm的鋼球垂直向下施加在平整的絕緣材料表面,絕緣材料底面用一個有平滑表面、質量足夠大且有足夠支撐強度的負載裝置將試樣剛性支撐在水平位置,通常支撐機構多為一個直徑至少50mm,高100mm的圓柱形鋼快。在典型溫度(125℃或75℃)或其他特殊要求的溫度下試驗1h,試驗后立即取出放置到20℃±5℃的水中冷卻6min±3min,并在移出水后的3min內,通過放大倍率在10倍至20倍之間的光學測量裝置測量壓痕的直徑。

GB/T5169.21是球壓試驗的基準方法,該標準等同采用IEC60695-10-2,較早的標準版本中給出的壓痕示意圖如圖1所示,對于直徑d的測量端點根據不同情況見圖2所示。通常情況下,試驗后壓痕實際形狀多靠近圖1中2c所示,在顯微鏡下觀察,只有將放大倍數調整到40倍至50倍左右時,才有可能看到圖2所示的測試端點位置,但同時,端點附近的邊界也同時被放大,這種情況下,準確選擇端點也變得困難了。在理想情況下,應在壓痕直徑的切面上進行準確測量,而在實踐中這幾乎是不可能的。新修訂的GB/T5169.21-2014標準等同采用了IEC60695-10-2:2014,新版標準里不再給出圖1、圖2的原理示意圖,而是給出了實際操作中可能觀察到的壓痕圖示例,見圖3所示。

布氏硬度的測定原理是用一定的試驗力F將一定直徑的碳化鎢合金球壓入金屬材料表面,保持一定時間后,卸除試驗力,然后測量試樣表面形成的壓痕直徑d,通過試驗力F、合金球直徑D以及壓痕直徑d等參數利用公式計算得出布氏硬度值。

對比上述兩種試驗,可以看出其共同點:都是用金屬球在一定條件下壓被試材料,且均測量試驗后壓痕的直徑;都是通過讀數顯微鏡進行觀察測量壓痕直徑d。布氏硬度計使用的測微目鏡系統性能優于普通的讀數顯微鏡,因此考慮使用布什硬度計的測微目鏡系統測量球壓試驗的壓痕直徑。

3 用布氏硬度計的測微目鏡系統測量球壓試驗的壓痕直徑

筆者使用的布氏硬度計型號XHB-3000,其試樣支撐平臺可通過絲杠系統手動控制升降,最大升降高度225mm,可精細調整測量時的成像焦距;成像系統有無影燈式LED照明,成像質量高;測微目鏡最大放大倍率20倍,并可隨焦距變化自動調整并保持在10倍至17倍之間;同時,測微目鏡可做360°旋轉,在試樣保持不動的情況下,可任意測量不同的方向的數值。

實際測量中,操作過程如下:

a)手動調整試樣在支撐平臺上的大致位置,使壓痕的整個輪廓處在測微目鏡觀察范圍的正中心位置,避免由于角度問題導致的圖像變形;

b)調整焦距至成像清晰,如圖4所示

c)至少在互相垂直的兩個方向上進行重復測量,利用統計方法得出壓痕直徑的平均值。

d)測微目鏡系統的顯微鏡鼓輪最小分度值為0.00125mm,日常測量時讀取2位小數即可,對于較重要的試驗,如參加能力驗證時,建議讀取3位小數測試值進行統計分析。

筆者曾多次參加球壓試驗的能力驗證,使用布什硬度計測微目鏡系統測試壓痕直徑,Z值均小于1,結果滿意。

4 需要關注的細節

a)測微目鏡中觀察壓痕為非圓形,可先假定一個測試方向(目視認為最短或最長),然后在垂直90°的方向上再次測量,如果差值大于0.2mm,建議舍棄試樣,重新進行試驗;或者,特殊情況下,可以明顯發現鋼球球頭移動軌跡或方向,在確認的位置上進行測量,但仍需采取適當的方式復測,以保證結果的準確性;

b)有關校準:測微目鏡系統按GB/T231.2-2012第4.4條款要求進行校準。

結束語

本文給出的壓痕測試實例,與最新版的電工電子產品的非金屬材料的球壓試驗標準中給出的圖例完美契合,提出的方法在實際運用過程中,間接通過了能力驗證試驗的考核。本文也給出了在實際操作過程中需要關注的細節,為準確測量球壓試驗的壓痕提供了一種切實可行的方法。