低压电器球压试验的研究

由于球压试验受外部条件影响的因素较多，如温度、时间。压痕直径有时在1 mm之内，对于很小的距离而言，对压痕的测量点的选择不同，使用不同的测量仪器都可能得到不同的测试数据，产生差异，所以球压试验也常被作为试验室间的比对试验项目及比对试验项目。但在低压试验室常用的标准如GB16917.1—2003和IEC61009—1∶1996的条款9.14耐热试验中并未详细讲解球压试验的过程和压痕直径的测量方法。本文将针对球压试验进行详细讲解和分析，探讨对压痕边界的确定方法。

　　1 球压试验的仪器准备和试验过程

　　1.1 仪器设备

　　应准备符合标准要求的试验仪器设备：球压试验装置、鼓风干燥箱、温度数据记录仪、测量压痕用的显微镜或投影仪等、记录时间的电子秒表或其他有效计时仪器。所有设备都确保在有效期内使用。

　　应注意球压试验装置的末端应为完整球形，不可采用不完整球形，如图1所示。而以前所用的球压试验装置如图2所示，因为其末端为不完整球形，所以固定的锥面很大程度会影响产生压痕的大小。鼓风干燥箱的容积/体积也应详细记录。

　　1.2 试验过程

　　将球压试验装置和样品支架一并放入加热箱。在预定放样品处放好热电偶，使用热电偶是因为很多加热箱的指示温度和箱内的实际温度并不一致，尤其是样块附近处的温度更应准确测量。设定加热箱温度为要求温度，设定加热箱工作时间为24 h。试验室的经验交流中也规定了对于200 ℃以上的温度，往往需要13 h以上的预热时间。对加热箱工作过程中检验员应多次记录箱内实际的温度变化情况，以便知道箱内温度何时达到热平衡。

　　事先将支架放入加热箱是为了减少支架带给试验结果的影响，如果等加热箱达到热平衡后才放入支架，支架要吸收大量的热，延长加热箱下一次达到热平衡的时间，减小了样品在试验温度下的作用时间，降低了试验的严酷条件。

　　频繁记录加热箱内温度，待达到热平衡后，在该时刻t+10s时打开加热箱，把样品放进箱内的支架上并压好球压装置。继续记录温度变化过程。IEC 60695—10—2∶2003对试验样品有严格的规定，所以放入箱内的样块应满足该要求：厚度≥ 2.5 mm;试验样品应为边长≥ 10 mm 的正方形或直径≥ 10 mm 的圆，厚度为（3.0±0.5）mm ，表面应平整。

　　开箱后，箱内的温度急剧下降，关箱后箱内温度需要重新调节平衡，为减少开箱造成的温度波动幅度，要注意应尽可能地缩短开箱时间，也要减小刚达到设定温度时的上冲温度，具体做法：关箱后可把加热箱的设定温度调到略低于试验温度，当达到温度时再把加热箱的设定温度设定到试验温度。放置样品要确保球压装置在样品上不再产生任何移动。也就是说鼓风干燥试验箱的热空气循环流动不允许干扰放置样品的中央位置，热气流应沿箱边缘流动，放置区域的温度必须均匀一致;箱门的关闭不能造成球压装置在样品上的位移，否则压痕必有重印，影响试验结果的准确性。

　　2 测量压痕

　　试验中zui重要也是zui难的一步就是压痕测量。经过规定的试验时间后，从样品上移开球压试验装置，在10 s内（注意记录时间）将试品浸入室温下的水中。为了使样品接近室温，在水中冷却的时间允许不超过10 min，除去水痕，要在从水中移出的3 min内测量压痕直径d。理论上：压痕直径为两切点zui大间距，切点是球压装置末端的球面于压痕凹面的几何相切。常见的压痕形式有圆和非圆两种，如图3、图4 所示。压痕直径的确定依赖于压痕边界的确定，而边界的确定依赖于测量手段：使用数字游标卡尺的结果离散性较大;精密投影仪针对的是横切切片，不可横切的球压样品只能透射投影测量，投影屏上的圆形阴影的边界仍难确定。较理想的设备是具备合适光度条件（发光强度、入射角度）辅助照明的读数显微镜，如测量仪器应具有10 倍放大倍数，装有被测量的标线或正交位移线的测量平台，且有一个灯装置用来照亮测量的压痕表面。由于要在从水中移出的3 min内测量压痕直径，规定的时间很短，在样品将取出前应将显微镜调整好，以便在规定时间内顺利测量压痕。注意取出样品的每一步规定的时间范围，用秒表记录。

　　压痕的测量应从压力球和样品表面相切处进行测量，测量时应扣除材料变形部分的尺寸。对于非圆压痕，如其剖面可能呈“U/V/M”形的压痕直径应在压痕直径的zui大部位来测量。

　　从实际操作中知道，如图3、图4 所示的这种剖面图是理想化的测量状态，在实际操作中不可能有纵向或横向的剖面图来确定压痕的边界，因此我们提出三种确定压痕边界的方法：①用有色印油涂在压痕上，显出压痕边界或在样品压痕面蒙一层薄的白纸，用铅笔在纸上轻轻描出边缘痕迹，用读数显微镜测量zui大值，zui小值，然后取中间值作为测试结果。②从认证认可角度，采取zui严酷的办法：取其zui大压痕，作为zui终结果（在目前的比对试验中，基本采用这种方法）。实际的压痕必然在这个zui大值内。③可以使用直接*成像和读取压痕直径数据的设备如硬度计。但这类无损检测（Non-destructive testing）设备一般价格高昂，如果是检测机构恰好有该类设备则可应用于测量压痕;如果没有，则应参考前者选用合适放大倍数的显微镜或卡尺，选取准确的压痕边缘，确定直径范围。

　　既然标准要求在从水中移出的3 min内测量压痕直径，所以读数显微镜、投影仪硬件的准备很重要，应多次熟练显微镜或投影仪的操作，以变在试验后能准备好随时测量。 试验后能记录（手绘）材料变形示意图。

　　3 结束语

    　球压试验看似简单，实则不然，要确保球压试验结果的准确性就要严格依照标准要求，提前准备好设备和记录，多考虑试验过程中的各种因素对检测结果的影响，尤其是压痕边界的确定，对于有时间和温度要求的内容，针对可能出现的影响，寻求有效可行的解决办法，对于困难的测量点要多想方法，并参考行业内和上的实际经验，才能更好地完成试验。