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溫度沖擊及溫度沖擊試驗

嘉峪檢測網        2019-07-01 15:15

熱沖擊試驗(Thermal Shock Testing)常被稱作溫度沖擊試驗(Temperature Shock Testing)或者溫度循環(Temperature Cycling)、高低溫冷熱沖擊試驗。

 

溫度沖擊按照GJB 150.5A-2009 3.1的說法,是裝備周圍大氣溫度的急劇變化,溫度變化率大于10度/min,即為溫度沖擊。MIL-STD-810F 503.4(2001)持相類似的觀點。

 

個人認為不能因此理解為大于這個速率的試驗就是溫度沖擊試驗。溫度沖擊試驗的速率比這個現實情況要嚴苛。經常能聽到說溫度沖擊的速率大于20度/min,30度/min,50度/分鐘,甚至更快。

 

溫度變化原因有很多,相關標準里面都有提及:

GB/T 2423.22-2012 環境試驗 第2部分 試驗N:溫度變化

3 溫度變化的現場條件

電子設備和元器件中發生溫度變化的情況很普遍。當設備未通電時,其內部零件要比其外表面上的零件經受的溫度變化慢。

下列情況下,可預見快速的溫度變化:

——當設備從溫暖的室內環境轉移到寒冷的戶外環境,或相反情況時;

——當設備遇到淋雨或浸入冷水中而突然冷卻時;

——安裝于外部的機載設備中;

——在某些運輸和貯存條件下。

通電后設備中會產生高的溫度梯度,由于溫度變化,元器件會經受應力,例如,在大功率的電阻器旁邊,輻射會引起鄰近元器件表面溫度升高,而其他部分仍然是冷的。

當冷卻系統通電時,人工冷卻的元器件會經受快速的溫度變化。在設備的制造過程中同樣可引起元器件的快速溫度變化。溫度變化的次數和幅度以及時間間隔都是很重要的。

 

GJB 150.5A-2009軍用裝備實驗室環境試驗方法第5部分:溫度沖擊試驗

3.2應用

3.2.1正常環境

本試驗適用于可能會在空氣溫度發生急劇變化的地方使用的裝備。本試驗僅用來評價溫度急劇變化對裝備的外表面、安裝在外表面的零部件、或裝在靠近外表面的內部零部件的影響。典型情況如下:

A) 裝備在熱區域和低溫環境之間轉換;

B) 通過高性能運載工具,從地面高溫環境升到高空(只是熱到冷);

C) 僅用外部材料(包裝或裝備表面材料)進行試驗時,從處在高空和低溫條件下熱的飛機防護殼體內向外空投。

3.2.2安全性和環境應力篩選

除3.3所述外,本試驗適用于提示裝備暴露在低于極端溫度變化速率(只要試驗條件下不超過裝備的設計極限)下通常出現的安全性問題和潛在的缺陷。本試驗雖然用作環境應力篩選(ESS),但經適當工程處理后,也可以將其作為一個篩選試驗(使用更極端溫度的溫度沖擊),用來揭示裝備暴露在低于極端溫度條件下會出現的潛在缺陷。

 

溫度沖擊的效應

GJB 150.5A-2009軍用裝備實驗室環境試驗方法第5部分:溫度沖擊試驗

4.1.2 環境效應

溫度沖擊通常對靠近裝備外表面的部分影響更嚴重,離外表面越遠(當然,與相關材料的特性有關),溫度變化越慢,影響越不明顯。運輸箱、包裝等還會減小溫度沖擊對封閉的裝備的影響。急劇的溫度變化可能會暫時或永久地影響裝備的工作。下面是裝備暴露于溫度沖擊環境時可能引發的問題示例。考慮以下典型問題,有助于確定本試驗是否適用于受試裝備。

A) 典型物理效應有:

1) 玻璃容器和光學儀器的碎裂;

2) 運動部件的卡緊或松弛;

3) 爆炸物中固態藥丸或藥柱產生裂紋;

4) 不同材料的收縮或膨脹率、或誘發應變速率不同;

5) 零部件的變形或破裂;

6) 表面涂層開裂;

7) 密封艙泄漏;

8) 絕緣保護失效。

b)典型化學效應有:

1)各組分分離;

2)化學試劑保護失效。

C)典型電效應有:

1)電氣和電子元器件的變化;

2)快速冷凝水或結霜引起電子或機械故障;

3)靜電過量。

 

溫度沖擊試驗的目的:工程研制階段可用于發現產品的設計和工藝缺陷;產品定型或設計鑒定和量產階段用于驗證產品對溫度沖擊環境的適應性,為設計定型和量產驗收決策提供依據;作為環境應力篩選應用時,目的是剔除產品的早期故障。

 

溫度變化試驗的類型,根據IEC和國家標準,分為三種:

1、 試驗Na:規定轉換時間的快速溫度變化;空氣;

2、 試驗Nb:規定變化速率的溫度變化;空氣;

3、 試驗Nc:兩液槽法快速溫度變化;液體;

上面3種試驗,1、2以空氣作為介質,第3種以液體(水或其它液體)作為介質。1、2的轉換時間較長,3的轉換時間較短。

 

標準

IEC 60068-2-14:2009《環境試驗第2~14部分:試驗方法試驗N:溫度變化》

GB/T 2423.22-2012《環境試驗第2部分:試驗方法試驗N:溫度變化》

MIL-STD-810F  方法503.4:溫度沖擊試驗

GJB  150.5A-2009 《軍用裝備實驗室環境試驗方法第5部分:溫度沖擊試驗》

GJB 150.5-1986

MIL-STD-202G 方法107G:熱沖擊試驗

GJB 360B-2009 《電子及電氣元件試驗方法》中的方法107溫度沖擊試驗。

MIL-STD-883, Method 1010, Temperature Cycling

JESD22-A104D, Temperature Cycling

JESD22-A106B

JIS C 680068-2-14:2011(替代JIS C0025:1988)

JASO D 001

EIA The air-to-air thermal shock test is JESD22-A104D "Temperature Cycling"

EIA The liquid-to-liquid thermal shock test is JESD22-A106B "Thermal Shock"

EIA-364-32E-2008

EIAJ ED-2531A

GB897.4-2008/IEC60086-4:2007

GJB548B-2005方法1011.1

GJB128A-97方法1056

ISO 16750-4:2010 Road vehicles — Environmental conditions and testing for electrical and electronic equipment — Part 4: Climatic loads

GMW3172_AUG2008 電氣/電子元件通用規范---環境/耐久性 9.4.2

 

等標準。

試驗參數包括下列各項:

——試驗室環境溫度;

——高溫;

——低溫;

——暴露持續時間;

——轉換時間或變化速率;

——試驗循環數。

 

穩定時間

GJB 150.5A-2009 4.3.7 溫度穩定

試件溫度穩定(在轉換之前)的時間至少應保證試件整個外部的溫度均勻一致。

 

GB/T 2423.22-2012 環境試驗 第2部分 試驗N:溫度變化

7.2.1 部分最后一句:

在放入試驗樣品后,空氣溫度應在暴露持續時間的10%以內達到規定的容差范圍。

 

EIA-364-32E-2008 4.3 Specimen mass determination

 

溫度沖擊及溫度沖擊試驗

 

相對濕度

GB/T 2423.22-2012 環境試驗 第2部分 試驗N:溫度變化

沒有提到相關內容。

GJB 150.5A-2009 4.3.8 相對濕度

大部分試驗方案都不控制相對濕度。但是溫度沖擊試驗過程中的相對濕度,對某些常見的多孔滲水材料(如纖維材料)可能有顯著的影響——滲入的濕氣可以移動并在結冰時會膨脹。除專門提出要求外,否則不必考慮控制相對濕度。

 

所以目前按照這兩個標準是沒有必要太多關注溫度沖擊試驗過程中的濕度控制問題。

 

轉換時間

GB/T 2423.22-2012 環境試驗 第2部分 試驗N:溫度變化

4.5 轉換時間的選擇

在兩箱法的情況下,如果由于樣品尺寸大,不能在3min內完成轉換,那么只要不對試驗結果產生可察覺的影響,可按下式增加轉換時間:

t2≤0.05t3

式中:

T2——轉換時間;t3——試驗樣品的溫度穩定時間。

 

GJB 150.5A-2009 4.3.9 轉換時間

應保證轉換時間能反映壽命期剖面中實際溫度沖擊的相應時間。轉換時間應盡可能短,但若轉換時間大于1min,則應證明這些額外的時間是合理的。

 

風速

GB/T 2423.22-2012 環境試驗 第2部分 試驗N:溫度變化

沒有提到相關內容。

在舊版本大概有提到,不大于2m/s。

 

GJB 150.5A-2009 6.2.2 風速

除裝備平臺環境已經證明采用其他風速是合理的,并提供了規定的試驗條件,試驗箱內試件周圍的風速不應超過1.7m/s。

 

試件的安裝和調試要求。試件的安裝應盡可能模擬實際使用狀況,并按需要進行試件連接和測試儀器連接。安裝時應注意:

(1) 若考核試件防護裝置有效性,應保證實際使用中插頭、外罩和檢測板處在便于測試的位置,在操作時處于正常(防護或未加防護)方式。

(2) 實際使用中試件上正常電氣連接和機械連接,在試驗中不用,應用模擬接頭代替,以確保試驗真實。

(3) 試件若包括兩個或兩個以上具有完整功能的獨立單元,可對各單元分別進行試驗。若對各單元一起進行試驗,在機械、電氣和射頻連接接口允許情況下,各單元之間以及單元與試驗箱內壁間至少應保持15cm,確保箱內空氣能正常循環。

(4) 保護試件不受無關的環境污染物影響

 

GB/T 2423.22-2012 環境試驗 第2部分 試驗N:溫度變化

7.2.2 試驗樣品的安裝或支撐

除非相關規范另有規定,安裝或支撐架應具有低導熱性,以使得試驗樣品實際上是絕熱的。當幾個試驗樣品同時試驗時,放置試驗樣品時應使得試驗樣品之間、試驗樣品和試驗箱內表面之間的空氣自由流通。

 

有大神的文章里提到了木板,看來是點道理啊。

 

試驗循環次數的確定

由于溫度交變在試件中引起機械應力,導致隨溫度交變次數的增加試件內部振動的增加。在可靠性技術中適用以下經驗求得的關系式:

    N(ΔT)k  =常數

其中:N= 溫度周期的次數

    ΔT=溫度變化,即高溫與低溫的差值

    K =指數(取決于失效機理)

上述的一般關系在有的參考文獻中稱為Coffin-Manson公式。可改寫為如下形式:

溫度沖擊及溫度沖擊試驗

其中:Nf1 = 至失效為止的周期次數(實際)

          Nf2 = 至失效為止的周期次數(試驗)

         ΔT1 = 溫度變化(實際)

         ΔT2 = 溫度變化(試驗)

          k= 對遭受交變負荷的、其變形在塑性范圍內發生的金屬為2,對以塑料件為主的試件取4。

計算實例:

油泵支架總成溫度沖擊循環次數計算:

按上述公式取

Nf1 =10*365*2(10年,每年365天,每天2次冷起動)=7300

ΔT1 =50-0=50

ΔT2 =80-(-40)=120

k=4

計算可得Nf2 =220

即進行220次溫度沖擊試驗可以模擬實際10年的使用壽命。

 

資源鏈接

ISO16750-4:2010

https://wenku.baidu.com/view/414970767275a417866fb84ae45c3b3567ecdd8a.html

 

MIL-STD-883K

https://www.docin.com/p-2104092227.html

 

GMW3172 AUG 2008中文版 電氣/電子元件通用規范---環境/耐久性 9.4.2 空氣對空氣熱沖擊(TS)

 

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來源:可靠性與環境試驗

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