布氏硬度计在球压试验压痕测定中的应用

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1 引言

非金属材料的球压试验是电工电子产品着火试验中常见的一种试验,试验的目的是用于确认绝缘材料的耐受非正常热的能力,甄别电工电子产品所用的绝缘材料在合理可预见的情况下可能发生的和潜在的耐受非正常热情况,将风险控制在可接受的范围内。例如,绝缘材料在某个温度的持续作用下,材料变形不足以导致支撑或固定带电部件的措施失效或致使电气间隙或爬电距离降低到影响安全的程度。

球压试验后的压痕测量是整个试验的一个关键节点,通常使用的设备都是带有十字叉丝线的读数显微镜。由于绝缘材料性能的多样性,颜色有深色有浅色,再加上材料表面光滑程度不一,反光情况差异较大,使得较小的压痕,尤其是1mm以下的压痕更加难以准确测量。本文通过测量原理的对比,引入一种准确测量球压试验压痕测量方法,并通过了实践验证。

2 球压试验压痕测量与布什硬度计测量原理对比

球压试验的主要原理是利用一个重力为20N±0.2N的负载装置,通过一个直径5mm±0.05mm的钢球垂直向下施加在平整的绝缘材料表面,绝缘材料底面用一个有平滑表面、质量足够大且有足够支撑强度的负载装置将试样刚性支撑在水平位置,通常支撑机构多为一个直径至少50mm,高100mm的圆柱形钢快。在典型温度(125℃或75℃)或其他特殊要求的温度下试验1h,试验后立即取出放置到20℃±5℃的水中冷却6min±3min,并在移出水后的3min内,通过放大倍率在10倍至20倍之间的光学测量装置测量压痕的直径。

GB/T5169.21是球压试验的基准方法,该标准等同采用IEC60695-10-2,较早的标准版本中给出的压痕示意图如图1所示,对于直径d的测量端点根据不同情况见图2所示。通常情况下,试验后压痕实际形状多靠近图1中2c所示,在显微镜下观察,只有将放大倍数调整到40倍至50倍左右时,才有可能看到图2所示的测试端点位置,但同时,端点附近的边界也同时被放大,这种情况下,准确选择端点也变得困难了。在理想情况下,应在压痕直径的切面上进行准确测量,而在实践中这几乎是不可能的。新修订的GB/T5169.21-2014标准等同采用了IEC60695-10-2:2014,新版标准里不再给出图1、图2的原理示意图,而是给出了实际操作中可能观察到的压痕图示例,见图3所示。

布氏硬度的测定原理是用一定的试验力F将一定直径的碳化钨合金球压入金属材料表面,保持一定时间后,卸除试验力,然后测量试样表面形成的压痕直径d,通过试验力F、合金球直径D以及压痕直径d等参数利用公式计算得出布氏硬度值。

对比上述两种试验,可以看出其共同点:都是用金属球在一定条件下压被试材料,且均测量试验后压痕的直径;都是通过读数显微镜进行观察测量压痕直径d。布氏硬度计使用的测微目镜系统性能优于普通的读数显微镜,因此考虑使用布什硬度计的测微目镜系统测量球压试验的压痕直径。

3 用布氏硬度计的测微目镜系统测量球压试验的压痕直径

笔者使用的布氏硬度计型号XHB-3000,其试样支撑平台可通过丝杠系统手动控制升降,最大升降高度225mm,可精细调整测量时的成像焦距;成像系统有无影灯式LED照明,成像质量高;测微目镜最大放大倍率20倍,并可随焦距变化自动调整并保持在10倍至17倍之间;同时,测微目镜可做360°旋转,在试样保持不动的情况下,可任意测量不同的方向的数值。

实际测量中,操作过程如下:

a)手动调整试样在支撑平台上的大致位置,使压痕的整个轮廓处在测微目镜观察范围的正中心位置,避免由于角度问题导致的图像变形;

b)调整焦距至成像清晰,如图4所示

c)至少在互相垂直的两个方向上进行重复测量,利用统计方法得出压痕直径的平均值。

d)测微目镜系统的显微镜鼓轮最小分度值为0.00125mm,日常测量时读取2位小数即可,对于较重要的试验,如参加能力验证时,建议读取3位小数测试值进行统计分析。

笔者曾多次参加球压试验的能力验证,使用布什硬度计测微目镜系统测试压痕直径,Z值均小于1,结果满意。

4 需要关注的细节

a)测微目镜中观察压痕为非圆形,可先假定一个测试方向(目视认为最短或最长),然后在垂直90°的方向上再次测量,如果差值大于0.2mm,建议舍弃试样,重新进行试验;或者,特殊情况下,可以明显发现钢球球头移动轨迹或方向,在确认的位置上进行测量,但仍需采取适当的方式复测,以保证结果的准确性;

b)有关校准:测微目镜系统按GB/T231.2-2012第4.4条款要求进行校准。

结束语

本文给出的压痕测试实例,与最新版的电工电子产品的非金属材料的球压试验标准中给出的图例完美契合,提出的方法在实际运用过程中,间接通过了能力验证试验的考核。本文也给出了在实际操作过程中需要关注的细节,为准确测量球压试验的压痕提供了一种切实可行的方法。