溫度沖擊試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)解讀

溫度沖擊試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)解讀 

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

溫度沖擊按照GJB 150.5A-2009 3.1的說(shuō)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(diǎn)。

個(gè)人認(rèn)為不能因此理解為大于這個(gè)速率的試驗(yàn)就是溫度沖擊試驗(yàn)。溫度沖擊試驗(yàn)的速率比這個(gè)現(xiàn)實(shí)情況要嚴(yán)苛。經(jīng)常能聽(tīng)到說(shuō)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(guān)標(biāo)準(zhǔn)里面都有提及：

GB/T 2423.22-2012 環(huán)境試驗(yàn) 第2部分 試驗(yàn)N:溫度變化

3 溫度變化的現(xiàn)場(chǎng)條件

電子設(shè)備和元器件中發(fā)生溫度變化的情況很普遍。當(dāng)設(shè)備未通電時(shí)，其內(nèi)部零件要比其外表面上的零件經(jīng)受的溫度變化慢。

下列情況下，可預(yù)見(jiàn)快速的溫度變化：

——當(dāng)設(shè)備從溫暖的室內(nèi)環(huán)境轉(zhuǎn)移到寒冷的戶外環(huán)境，或相反情況時(shí)；

——當(dāng)設(shè)備遇到淋雨或浸入冷水中而突然冷卻時(shí)；

——安裝于外部的機(jī)載設(shè)備中；

——在某些運(yùn)輸和貯存條件下。

通電后設(shè)備中會(huì)產(chǎn)生高的溫度梯度，由于溫度變化，元器件會(huì)經(jīng)受應(yīng)力，例如，在大功率的電阻器旁邊，輻射會(huì)引起鄰近元器件表面溫度升高，而其他部分仍然是冷的。

當(dāng)冷卻系統(tǒng)通電時(shí)，人工冷卻的元器件會(huì)經(jīng)受快速的溫度變化。在設(shè)備的制造過(guò)程中同樣可引起元器件的快速溫度變化。溫度變化的次數(shù)和幅度以及時(shí)間間隔都是很重要的。

GJB 150.5A-2009軍用裝備實(shí)驗(yàn)室環(huán)境試驗(yàn)方法第5部分：溫度沖擊試驗(yàn)

3.2應(yīng)用

3.2.1正常環(huán)境

本試驗(yàn)適用于可能會(huì)在空氣溫度發(fā)生急劇變化的地方使用的裝備。本試驗(yàn)僅用來(lái)評(píng)價(jià)溫度急劇變化對(duì)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(nèi)部零部件的影響。典型情況如下：

A) 裝備在熱區(qū)域和低溫環(huán)境之間轉(zhuǎn)換；

B) 通過(guò)高性能運(yùn)載工具，從地面高溫環(huán)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(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，從處在高空和低溫條件下熱的飛機(jī)防護(hù)殼體內(nèi)向外空投。

3.2.2安全性和環(huán)境應(yīng)力篩選

除3.3所述外，本試驗(yàn)適用于提示裝備暴露在低于溫度變化速率（只要試驗(yàn)條件下不超過(guò)裝備的設(shè)計(jì)極限）下通常出現(xiàn)的安全性問(wèn)題和潛在的缺陷。本試驗(yàn)雖然用作環(huán)境應(yīng)力篩選（ESS），但經(jīng)適當(dāng)工程處理后，也可以將其作為一個(gè)篩選試驗(yàn)（使用更溫度的溫度沖擊），用來(lái)揭示裝備暴露在低于溫度條件下會(huì)出現(xiàn)的潛在缺陷。

溫度沖擊的效應(yīng)

GJB 150.5A-2009軍用裝備實(shí)驗(yàn)室環(huán)境試驗(yàn)方法第5部分：溫度沖擊試驗(yàn)

4.1.2 環(huán)境效應(yīng)

溫度沖擊通常對(duì)靠近裝備外表面的部分影響更嚴(yán)重，離外表面越遠(yuǎn)（當(dāng)然，與相關(guān)材料的特性有關(guān)），溫度變化越慢，影響越不明顯。運(yùn)輸箱、包裝等還會(huì)減小溫度沖擊對(duì)封閉的裝備的影響。急劇的溫度變化可能會(huì)暫時(shí)或長(zhǎng)久地影響裝備的工作。下面是裝備暴露于溫度沖擊環(huán)境時(shí)可能引發(fā)的問(wèn)題示例。考慮以下典型問(wèn)題，有助于確定本試驗(yàn)是否適用于受試裝備。

A) 典型物理效應(yīng)有：

1) 玻璃容器和光學(xué)儀器的碎裂；

2) 運(yùn)動(dòng)部件的卡緊或松弛；

3)中固態(tài)藥丸或藥柱產(chǎn)生裂紋；

4) 不同材料的收縮或膨脹率、或誘發(fā)應(yīng)變速率不同；

5) 零部件的變形或破裂；

6) 表面涂層開(kāi)裂；

7) 密封艙泄漏；

8) 絕緣保護(hù)失效。

b)典型化學(xué)效應(yīng)有：

1）各組分分離；

2）化學(xué)試劑保護(hù)失效。

C）典型電效應(yīng)有：

1）電氣和電子元器件的變化；

2）快速冷凝水或結(jié)霜引起電子或機(jī)械故障；

3）靜電過(guò)量。

溫度沖擊試驗(yàn)的目的：工程研制階段可用于發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和工藝缺陷；產(chǎn)品定型或設(shè)計(jì)鑒定和量產(chǎn)階段用于驗(yàn)證產(chǎn)品對(duì)溫度沖擊環(huán)境的適應(yīng)性，為設(shè)計(jì)定型和量產(chǎn)驗(yàn)收決策提供依據(jù)；作為環(huán)境應(yīng)力篩選應(yīng)用時(shí)，目的是剔除產(chǎn)品的早期故障。

溫度變化試驗(yàn)的類型，根據(jù)IEC和國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，分為三種：

1、 試驗(yàn)Na:規(guī)定轉(zhuǎn)換時(shí)間的快速溫度變化；空氣；

2、 試驗(yàn)Nb：規(guī)定變化速率的溫度變化；空氣；

3、 試驗(yàn)Nc：兩液槽法快速溫度變化；液體；

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

標(biāo)準(zhǔn)

其它標(biāo)準(zhǔn)：

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"

EIAJ ED-2531A

GB897.4-2008/IEC60086-4：2007

GJB548B-2005方法1011.1

GJB128A-97方法1056

此外還有一些企業(yè)內(nèi)部的標(biāo)準(zhǔn)，比如一些汽車廠商企業(yè)內(nèi)部的標(biāo)準(zhǔn)。

試驗(yàn)參數(shù)包括下列各項(xiàng)：

——試驗(yàn)室環(huán)境溫度；

——高溫；

——低溫；

——暴露持續(xù)時(shí)間；

——轉(zhuǎn)換時(shí)間或變化速率；

——試驗(yàn)循環(huán)數(shù)。

穩(wěn)定時(shí)間

GJB 150.5A-2009 4.3.7 溫度穩(wěn)定

試件溫度穩(wěn)定（在轉(zhuǎn)換之前）的時(shí)間至少應(yīng)保證試件整個(gè)外部的溫度均勻一致。

GB/T 2423.22-2012 環(huán)境試驗(yàn) 第2部分 試驗(yàn)N:溫度變化

7.2.1 部分*后一句：

在放入試驗(yàn)樣品后，空氣溫度應(yīng)在暴露持續(xù)時(shí)間的10%以內(nèi)達(dá)到規(guī)定的容差范圍。

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

相對(duì)濕度：

GB/T 2423.22-2012 環(huán)境試驗(yàn) 第2部分 試驗(yàn)N:溫度變化

沒(méi)有提到相關(guān)內(nèi)容。

GJB 150.5A-2009 4.3.8 相對(duì)濕度

大部分試驗(yàn)方案都不控制相對(duì)濕度。但是溫度沖擊試驗(yàn)過(guò)程中的相對(duì)濕度，對(duì)某些常見(jiàn)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(dòng)并在結(jié)冰時(shí)會(huì)膨脹。除專門(mén)提出要求外，否則不必考慮控制相對(duì)濕度。

所以目前按照這兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)是沒(méi)有必要太多關(guān)注溫度沖擊試驗(yàn)過(guò)程中的濕度控制問(wèn)題。

轉(zhuǎn)換時(shí)間

GB/T 2423.22-2012 環(huán)境試驗(yàn) 第2部分 試驗(yàn)N:溫度變化

4.5 轉(zhuǎn)換時(shí)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(nèi)完成轉(zhuǎn)換，那么只要不對(duì)試驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生可察覺(jué)的影響，可按下式增加轉(zhuǎn)換時(shí)間：

t2≤0.05t3

式中：

T2——轉(zhuǎn)換時(shí)間；t3——試驗(yàn)樣品的溫度穩(wěn)定時(shí)間。

GJB 150.5A-2009 4.3.9 轉(zhuǎn)換時(shí)間

應(yīng)保證轉(zhuǎn)換時(shí)間能反映壽命期剖面中實(shí)際溫度沖擊的相應(yīng)時(shí)間。轉(zhuǎn)換時(shí)間應(yīng)盡可能短，但若轉(zhuǎn)換時(shí)間大于1min，則應(yīng)證明這些額外的時(shí)間是合理的。

風(fēng)速

GB/T 2423.22-2012 環(huán)境試驗(yàn) 第2部分 試驗(yàn)N:溫度變化

沒(méi)有提到相關(guān)內(nèi)容。

在舊版本大概有提到，不大于2m/s。

GJB 150.5A-2009 6.2.2 風(fēng)速

除裝備平臺(tái)環(huán)境已經(jīng)證明采用其他風(fēng)速是合理的，并提供了規(guī)定的試驗(yàn)條件，試驗(yàn)箱內(nèi)試件周圍的風(fēng)速不應(yīng)超過(guò)1.7m/s。

試件的安裝和調(diào)試要求。試件的安裝應(yīng)盡可能模擬實(shí)際使用狀況，并按需要進(jìn)行試件連接和測(cè)試儀器連接。安裝時(shí)應(yīng)注意：

（1） 若考核試件防護(hù)裝置有效性，應(yīng)保證實(shí)際使用中插頭、外罩和檢測(cè)板處在便于測(cè)試的位置，在操作時(shí)處于正常（防護(hù)或未加防護(hù)）方式。

（2） 實(shí)際使用中試件上正常電氣連接和機(jī)械連接，在試驗(yàn)中不用，應(yīng)用模擬接頭代替，以確保試驗(yàn)真實(shí)。

（3） 試件若包括兩個(gè)或兩個(gè)以上具有完整功能的獨(dú)立單元，可對(duì)各單元分別進(jìn)行試驗(yàn)。若對(duì)各單元一起進(jìn)行試驗(yàn)，在機(jī)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(yàn)箱內(nèi)壁間至少應(yīng)保持15cm,確保箱內(nèi)空氣能正常循環(huán)。

（4） 保護(hù)試件不受無(wú)關(guān)的環(huán)境污染物影響

GB/T 2423.22-2012 環(huán)境試驗(yàn) 第2部分 試驗(yàn)N:溫度變化

7.2.2 試驗(yàn)樣品的安裝或支撐

除非相關(guān)規(guī)范另有規(guī)定，安裝或支撐架應(yīng)具有低導(dǎo)熱性，以使得試驗(yàn)樣品實(shí)際上是絕熱的。當(dāng)幾個(gè)試驗(yàn)樣品同時(shí)試驗(yàn)時(shí)，放置試驗(yàn)樣品時(shí)應(yīng)使得試驗(yàn)樣品之間、試驗(yàn)樣品和試驗(yàn)箱內(nèi)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(lái)是點(diǎn)道理啊。

試驗(yàn)循環(huán)次數(shù)的確定

由于溫度交變?cè)谠嚰幸饳C(jī)械應(yīng)力，導(dǎo)致隨溫度交變次數(shù)的增加試件內(nèi)部振動(dòng)的增加。在可靠性技術(shù)中適用以下經(jīng)驗(yàn)求得的關(guān)系式：

    N（ΔT）k  =常數(shù)

其中：N= 溫度周期的次數(shù)

    ΔT=溫度變化，即高溫與低溫的差值

    K =指數(shù)（取決于失效機(jī)理）

上述的一般關(guān)系在有的參考文獻(xiàn)中稱為Coffin-Manson公式?？筛膶?xiě)為如下形式：

其中：Nf1 = 至失效為止的周期次數(shù)（實(shí)際）

          Nf2 = 至失效為止的周期次數(shù)（試驗(yàn)）

         ΔT1 = 溫度變化（實(shí)際）

         ΔT2 = 溫度變化（試驗(yàn)）

          k= 對(duì)遭受交變負(fù)荷的、其變形在塑性范圍內(nèi)發(fā)生的金屬為2，對(duì)以塑料件為主的試件取4。

計(jì)算實(shí)例：

油泵支架總成溫度沖擊循環(huán)次數(shù)計(jì)算：

按上述公式取

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

ΔT1 =50-0=50

ΔT2 =80-(-40)=120

k=4

計(jì)算可得Nf2 =220

即進(jìn)行220次溫度沖擊試驗(yàn)可以模擬實(shí)際10年的使用壽命。