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淺談冷熱沖擊試驗箱檢測標(biāo)準(zhǔn)解讀

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(huán)（Temperature Cycling）、高低溫冷熱沖擊試驗。

溫度沖擊按照GJB 150.-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(rèn)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(xiàn)況要嚴(yán)苛。經(jīng)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(guān)標(biāo)準(zhǔn)里面都有提及：

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

3 溫度變化的現(xiàn)場條件

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，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；

——當(dāng)設(shè)備遇到淋雨或浸入冷水中而突然冷卻時；

——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)備中會產(chǎn)生高的溫度梯度，由于溫度變化，元器件會經(jīng)受應(yīng)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(dāng)冷卻系統(tǒng)通電時，人工冷卻的元器件會經(jīng)受快速的溫度變化。在設(shè)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(shù)和幅度以及時間間隔都是很重要的。

GJB 150.-2009裝備實驗室環(huán)境試驗方法第5部分：溫度沖擊試驗

3.2應(yīng)用

3.2.1正常環(huán)境

本試驗適用于可能會在空氣溫度發(fā)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(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)行試驗時，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，本試驗適用于提示裝備暴露在低于溫度變化速率（只要試驗條件下不超過裝備的設(shè)計極限）下通常出現(xiàn)的安全性問題和潛在的缺陷。本試驗雖然用作環(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篩選試驗（使用更溫度的溫度沖擊），用來揭示裝備暴露在低于溫度條件下會出現(xiàn)的潛在缺陷。

溫度沖擊的效應(yīng)

GJB 150.-2009裝備實驗室環(huán)境試驗方法第5部分：溫度沖擊試驗

4.1.2 環(huán)境效應(yīng)

溫度沖擊通常對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長久地影響裝備的工作。下面是裝備暴露于溫度沖擊環(huán)境時可能引發(fā)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(yīng)有：

1) 玻璃容器和光學(xué)儀器的碎裂；

2) 運(yùn)動部件的卡緊或松弛；

3) 爆炸物中固態(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）靜電過量。

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

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

1、 試驗Na:規(guī)定轉(zhuǎn)換時間的快速溫度變化；空氣；

2、 試驗Nb：規(guī)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(zhì)，第3種以液體（水或其它液體）作為介質(zhì)。1、2的轉(zhuǎn)換時間較長，3的轉(zhuǎn)換時間較短。

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)。

試驗參數(shù)包括下列各項：

——試驗室環(huán)境溫度；

——高溫；

——低溫；

——暴露持續(xù)時間；

——轉(zhuǎn)換時間或變化速率；

——試驗循環(huán)數(shù)。

穩(wěn)定時間

GJB 150.-2009 4.3.7 溫度穩(wěn)定

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

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

7.2.1 部分*后一句：

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

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

相對濕度：

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

沒有提到相關(guān)內(nèi)容。

GJB 150.-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(jié)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(biāo)準(zhǔn)是沒有必要太多關(guān)注溫度沖擊試驗過程中的濕度控制問題。

轉(zhuǎn)換時間

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

4.5 轉(zhuǎn)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(nèi)完成轉(zhuǎn)換，那么只要不對試驗結(jié)果產(chǎn)生可察覺的影響，可按下式增加轉(zhuǎn)換時間：

t2≤0.05t3

式中：

T2——轉(zhuǎn)換時間；t3——試驗樣品的溫度穩(wěn)定時間。

GJB 150.-2009 4.3.9 轉(zhuǎn)換時間

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

風(fēng)速

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

沒有提到相關(guān)內(nèi)容。

在舊版本大概有提到，不大于2m/s。

GJB 150.-2009 6.2.2 風(fēng)速

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

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

（1） 若考核試件防護(hù)裝置有效性，應(yīng)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(hù)或未加防護(hù)）方式。

（2） 實際使用中試件上正常電氣連接和機(jī)械連接，在試驗中不用，應(yīng)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(jìn)行試驗。若對各單元一起進(jìn)行試驗，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)試件不受無關(guān)的環(huán)境污染物影響

GB/T 2423.22-2012 環(huán)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(guān)規(guī)范另有規(guī)定，安裝或支撐架應(yīng)具有低導(dǎo)熱性，以使得試驗樣品實際上是絕熱的。當(dāng)幾個試驗樣品同時試驗時，放置試驗樣品時應(yīng)使得試驗樣品之間、試驗樣品和試驗箱內(nèi)表面之間的空氣自由流通。

有大神的文章里提到了木板，看來是點道理啊。

試驗循環(huán)次數(shù)的確定

由于溫度交變在試件中引起機(jī)械應(yīng)力，導(dǎo)致隨溫度交變次數(shù)的增加試件內(nèi)部振動的增加。在可靠性技術(shù)中適用以下經(jīng)驗求得的關(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。可改寫為如下形式：

其中：Nf1 = 至失效為止的周期次數(shù)（實際）

          Nf2 = 至失效為止的周期次數(shù)（試驗）

         ΔT1 = 溫度變化（實際）

         ΔT2 = 溫度變化（試驗）

          k= 對遭受交變負(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(huán)次數(shù)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(jìn)行220次溫度沖擊試驗可以模擬實際10年的使用壽命。