球压试验标准解读和探讨

球压试验标准解读和探讨

李妹董金宝

上海时代之光照明电器检测有限公司

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1mm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，不同的试验人员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国内试验室间的比对试验项目以及国际比对试验项目。

在整个球压试验过程中，应准备符合标准要求的试验仪器设备：球压试验装置、单室烘箱、温度数据记录仪、测量压痕用的读数显微镜或投影仪等、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。

球压试验首先应该检查负载装置的表面是否有损坏，应注意尽量做到球压负载试验装置的末端为完整球形，因为其末端若为不完整球形，所固定的锥面很大程度会影响产生压痕的大小。如果球面表面有所损坏也将直接影响压痕的大小，在GB/T5169.21标准中例举了两款典型的负载装置，如图1、图2所示。在照明产品系列标准中的球压试验基本引用GB7000.1中的第13章的要求，GB7000.1标准中所使用的球压试验装置如图3所示，也就是标准GB/T5169.21中典型负载b。

1——试验样品；2——压力球；

3——砝码（负载）；4——样品支座。

图1 负载装置a

图2 负载装置b

图3 负载装置c

在标准GB/T5169.21中规定：负载装置是由一个装在砝码系统中的直径为

5mm的压力球构成，砝码系统应设计成可施加一个等于20N±0.2N负载（包括压力球的质量）的向下的作用力。负载装置的球面直径应该为5mm，但是标准中没有规定该直径的公差，这样不免造成各个实验室负载装置直径的差异，导致球压直径的差异，为了防止这样的差异，在CTL决议DSH0391C中对这个直径的公差进行了统一，负载装置的直径应保持在5mm±1%。负载装置也要确保是否稳定在一个水平面，这个可以通过调节砝码到中心轴的距离来控制，同时要严格控制样品放置在规定温度的烘箱内时，负载装置放置到样品上不会作任何移动，如何来控制和监控负载装置的位移和摆动呢？这个问题值得大家一起来研究和探讨，按目前国内各家实验室使用情况来分析，一些实验室采用的球压装置就如图1和图3所示，基本上没有有效的装置来控制和监视负载装置的位移和摆动，只是通过有经验的工程师人为的方式进行操作，比如在放置负载装置的时候尽可能的小心稳定的放置，然后通过单室烘箱门上的玻璃窗口进行观察是否位移和摆动。有一些实验室的球压装置，如图4、图5。图4、图5的球压装置在原来的基础上在支座的两侧各装了一个与支座一体的、具有凹槽的固定圆柱，这样可以非常有效的防止负载装置的前后摆动，也不影响标准GB/T5169.21中规定的20N±0.2N负载施加，不失为一个良策。其中图5装置e的尺寸和要求在89/1011/CD文件图1b中有很具体的尺寸要求。

图4 球压装置d

图5 球压装置e

标准GB/T5169.21对试验样品的支座有四条规定：

1、将试验样品刚性支撑负载装置；也就是说，样品支座的材质是有规定的，必须是刚性的，不能是柔性、能拉伸、能弯曲、易变形的材质，试验室经常使用的支座大多为钢材质，像铝、木材等其他材质是不允许采用的。

2、有足够的强度支撑负载装置。

3、有平滑的表面；支座放置样品的这个平面必须光滑、平整，否则支座对样品的支撑力会不均匀，影响样品的水平度,导致压痕结果偏差。

4、有足够大的质量防止在烘箱内放置和取出试验样品时，出现试验装置的试验温度明显降低的现象。这一条的规定主要是针对标准GB/T5169.21中7.1条，为确保不使烘箱和试验样品支座的温度明显下降，试验样品的放置应在可行的短时间内完成，倘若这个支座的质量不够大，当烘箱门打开时，支座上的温度就会明显下降，这个时候将样品放置到支座上后，快速关闭烘箱门，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。所以在标准GB/T5169.21中4.2条有两个小注。

a) 注1：有50mm直径的平滑安装表面和100mm高度的一个实心钢圆柱体，作为试验样品合适的支座。按照标准，只有对样品支座的直径和高度有要求，具体使用什么材质的钢，没有详细规定，那么按密度较小的铸钢举例，密度为7.8g/cm3，那么符合标准要求的支座重量应不小于1.53kg（IFM组织的球压试验国际比对中，在提交的试验设备表格中都有支座重量的要求）。国内实验室基本都采用这样的圆柱实心钢制底座，在刚性金属材料中，钢比铁和铜的比热都要大，通过公式（1），不难发现钢相对于铁和铜比热容大，即温度在单位时间内的改变幅度最小。标准GB/T5169.21推荐使用50mm直径的平滑安装表面和100mm 高度实心钢圆柱体支座，可以更有效的防止温度变化过大。

c=△E（Q）/m△T (1)

△ E为吸收的热量；

△ m是物体的质量；

△T是吸热（放热）后温度所上升（下降）值。

在CTL决议DSH0391C中是规定样品支座应该是实心的、直径≥50 mm 、高度≥100 mm 的钢圆柱体，根据公式（1），比热和物体吸收或释放热量一定情况下，质量越大，温度变化越小，所以CTL决议建议，在条件允许的条件下，质量越大越好，当然质量如果太大，那么吸收热量较大，热平衡的时间就要拉长，因此在89/1011/CD文件中给出了一个详细的支座尺寸，见图6。结合现行标准GB/T5169.21、CTL决议DSH0391C和89/1011/CD文件，我们实验室根据89/1011/CD文件，按照图6尺寸制作了一个支座见图7新设备图，该支座与现行国家标准GB/T5169.21中提及的支座相比，除了增加了防止负载装置摆动的部件外，外形体积明显增大，对该支座与符合国家标准GB/T5169.21的钢支座以及铜支座进行温度回升试验的比对（见图8），将三个支座放置于120 °C烘箱内，达到热平衡，打开烘箱30s，然后关闭烘箱，观察支座上的温度变化，从图中不难发现，图7 新设备图（支座）在打开烘箱时温度跌落最少，保持和回升温度的能力最好。