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)特性會發(fā)生變化，如熔融或軟化、機械強度降低、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?；蛘咧睆街辽贋?0 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）采用強制對流的烘箱，給負載和支座提供熱量，在測試前將負載和支座放入烘箱預熱至少3 h。負載和支座需充分預熱時其熱傳遞充分，保證負載各處溫度一致。

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

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

5）負載裝置保持在試樣上（60±2）min，時間結(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)重要的一個環(huán)節(jié)。在放置負載于樣品時若穩(wěn)定性不足，會造成負載在試樣上搖擺、旋轉(zhuǎn)，甚至滑動的情況，嚴重影響壓痕直徑的準確性。當負載在試樣上搖擺時，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，導致壓痕不規(guī)則。當負載平穩(wěn)接觸放置在試樣瞬間，其受到負載垂直向下的壓力為負載重量20 N，即F=20 N，如圖1所示。

隨著試樣受熱受力，負載壓力球?qū)⒋怪毕聣?，試樣受擠壓在表面形成規(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方向無限小的面積都受到了垂直于其部分的壓力。

此時，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

當負載在試樣上有左右搖擺時，如圖4所示為負載向右傾擺的情況，此時，負載的重心將往壓力球的右端偏移，假設偏移角度為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 接觸瞬間試樣負載情況

圖2 負載過程中試樣表面受力情況

圖3 負載過程試樣表面總壓力

圖4 負載向右傾擺

圖5 負載向右傾擺時，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，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，在原來的受力點上壓力減小，左端壓痕深度變淺。

當負載向左傾擺時，與負載向右傾擺的情況剛好相反，此時負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，負載左右搖擺，會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，負載左右搖擺會增大壓痕的直徑，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載左右搖擺狀態(tài)下延長的直徑的長度。

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

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 負載向左傾擺時受力情況

圖9 負載左右搖擺時，試樣狀態(tài)

圖10 負載左右搖擺時，壓痕情況

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

球壓測試使用烘箱采用強制對流的方式給負載提供熱量，在試驗開始及過程中保持溫度的衡定是試驗的必要條件。特別是在開箱放置樣品及將負載放置于試樣的時間段，溫度的控制需要特別關(guān)注。對于測試溫度，需要監(jiān)控兩個溫度點，采用K型熱電偶來監(jiān)控溫度，其中一個溫度點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溫度，另一個溫度點放置在距離試樣中約50 mm以內(nèi)的位置，用于監(jiān)控試驗箱的溫度（如圖13）。

標準要求，該點的溫度應在放置試樣完成關(guān)箱后5 min內(nèi)恢復到指定的試驗溫度（±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，其導熱系數(shù)λ≈38 W/（m·K），所以其導熱系數(shù)很高，導熱系數(shù)高的物體加熱和散熱都較導熱系數(shù)低的快，如圖14為在某次測試溫度為120 ℃條件下負載和試驗箱的溫度變化曲線，由曲線可知在開箱放置試樣時，試驗箱中的熱量向外流失使其溫度下降，由于負載的溫度高于試驗箱的溫度而存在溫度差，由熱力學第二定律可知，熱能會自發(fā)的從高溫物體向低溫物體傳遞，此時熱量將由負載傳遞給試驗箱內(nèi)的空氣中。負載的溫度下降會使壓力球接觸試樣時的溫度達不到測試溫度的要求，會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)負載時情況

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 ℃條件下負載和試驗箱的溫度變化曲線

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合格與否的最終指標，所有的試驗過程都是為了得到一個精確的壓痕直徑數(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

由于負載的擺動會造成擺動方向的壓痕延伸，這對于壓痕直徑的判定是不利的，當壓痕的最大直徑與最小直徑的差值大于0.2 mm時，此次試驗的壓痕不作為有效的試驗結(jié)果[4]，需用同種材料重復測試，以得到準確的數(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)，當材料受壓力球的擠壓后，會在壓痕的邊緣形成向上凸起的變形，依據(jù)標準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，且應排除任何向上的變形。所以，當壓痕的形狀存在向上的變形時，應去除變形的影響 如圖16所示，材料在受熱后，因其特性，會在擠壓后變形向上，此時在衡量壓痕邊界時不應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作為壓痕的最大直徑。

3.3 壓痕不規(guī)則

當測試的試樣為非均質(zhì)的材料時（如玻璃鋼等材料）會出現(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)材料硬度會比較高，當壓力球下壓的時候，試樣材料內(nèi)部相互間會形成內(nèi)應力，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力下的軟化和材料流動性性能。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)果的準確性，提升產(chǎn)品的設計質(zhì)量。