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蠕變性能屬于機械力學性能檢測項目。在我國的國民經(jīng)濟及國防軍工領(lǐng)域，纖維增強塑料屬于應(yīng)用范圍最廣，規(guī)模最大的新材料之一，在我國各個產(chǎn)業(yè)中，發(fā)揮著極其重要的作用。由纖維增強塑料制成的產(chǎn)品或構(gòu)件在長期的使用過程中，可能會產(chǎn)生一定的蠕變現(xiàn)象，特別是處于長期的恒定應(yīng)力或較高溫度下，塑料受到的蠕變量會隨時間的增長而增加。

蠕變量的長期積累的后果之一，就是導致纖維增強塑料產(chǎn)品或其構(gòu)件的性能顯著降低或結(jié)構(gòu)破壞，進而大大降低纖維增強塑料及其構(gòu)件的使用壽命。蠕變性能就是通過不同的蠕變試驗方法來確定纖維增強塑料的拉伸、壓縮、彎曲蠕變和斷裂蠕變性能，獲得材料在相應(yīng)測試環(huán)境下的失效時間，以此來評估材料的長期使用性能。

一、需求背景

由于蠕變性能是表征纖維增強塑料長期使用性能的一個重要指標，而長期使用性能的好壞將直接影響到塑料設(shè)備的使用及操作人員的安全等問題。此外蠕變性能也是纖維增強塑料產(chǎn)品研發(fā)時，需要研究其破壞和結(jié)構(gòu)失效的重要因素。上海某橡塑科技公司為使旗下的一款纖維增強塑料產(chǎn)品達到在長期受載或高溫狀態(tài)下不發(fā)生破壞，同時滿足其使用的要求，因此需要對纖維增強塑料的蠕變性能進行測定。

二、需求簡述

由于國家標準《GB/T 41061-2021 纖維增強塑料蠕變性能試驗方法》已經(jīng)發(fā)布，雖然尚未實施，不過該公司依然要求我們依據(jù)該標準制定檢測方案。GB/T 41061-2021 參考的是美標ASTM D2990-2009《塑料 拉伸、 壓縮、 彎曲蠕變和斷裂蠕變的標準測試方法》部分方法，雖然并不是等效制定，但還是借鑒了該標準中很多纖維增強塑料的拉伸、 壓縮、 彎曲蠕變和斷裂蠕變的測試方法。

三、確定試驗裝置

本次試驗裝置的確定主要參考GB/T1446-2005和ASTMD2990-2009中對試驗裝置的要求而定，其中，拉伸蠕變的測定還需滿足GB/T1447-2005中對試驗裝置的要求。壓縮蠕變試驗裝置中由于需要隨無約束試樣施加載荷，因此壓板應(yīng)使用平行壓板且具備可調(diào)整上下壓板平行度的球形支座，使得載荷均勻加載以及試樣精確對中，從而總載荷能夠通過試樣中心；彎曲蠕變性能的測定還需滿足GB/T1449-2005中對試驗裝置的要求，一般情況可采用三點彎曲的試驗裝置，必要時也可采用四點彎曲。

四、確定測量裝置

我們在選定伸長性能、壓縮以及撓度測量裝置，伸長量的測量方法，我們推薦采用在試樣上直接測量而不是測量夾具間距，試樣在跨距中點的撓度值可通過千分表或高差計來測量，變形測量儀表的精確度應(yīng)為測量變形量的±1%。由于變形測量儀的校準取決于溫度和濕度，因此要在盡可能接近測試環(huán)境條件下進行校準。時間測量裝置的精度應(yīng)為每個蠕變測試的斷裂時間、破壞時間或運行時間的其中一個的±1%，或由以上多個時間來確定。由于在測試過程中由較小溫度波動引起的熱收縮和熱膨脹可能引起表觀蠕變速率的變化，因此在測試過程中需保證在試樣標距長度內(nèi)溫度的精確測量且溫度測量裝置需定期校準。

由于試驗材料的蠕變性能在測試過程中可能受到濕度的影響，因此要保證相對濕度在整個測試過程中的波動控制在±5%以內(nèi)，且控制和測量裝置應(yīng)有良好的長期穩(wěn)定性，控制精度達到±1%。同時在測試過程中要保持測試環(huán)境恒定。此外還需要注意的就是由于蠕變測試對沖擊和振動非常敏感，因此設(shè)備的位置和安裝都應(yīng)避免試樣的振動。

五、樣品形狀和尺寸確定

試樣的形狀和尺寸樣是決定試驗結(jié)果的重要的參數(shù)，因此對不同類型蠕變的試樣形狀、尺寸以及尺寸的測量進行了確定。其中，對于拉伸蠕變測試的試樣可參照GB/T1447-2005中規(guī)定的Ⅰ型和Ⅱ型試樣；對于壓縮蠕變測試的試樣參照可GB/T1448-2005中的規(guī)定；對于彎曲蠕變測試得試樣參照可GB/T1449-2005中矩形棒的規(guī)定。

為了保證數(shù)據(jù)的有效性以及可對比性，我們在用板材制作試樣時應(yīng)沿一個方向進行剪裁，當然如果材料是各向異性，應(yīng)沿著板材兩個主方向分別剪裁一組試樣。特別要注意的是，由于試驗必須保持準確性和嚴謹性，當已知材料尺寸會在指定環(huán)境下發(fā)生明顯改變，應(yīng)在試樣空載時沿著試樣做一些針對非蠕變的尺寸改變的補償措施，每個測試溫度下至少測試3個試樣。在單一溫度下進行蠕變測試時，試樣在每個應(yīng)力水平下的最少數(shù)目應(yīng)符合以下要求：不少于4個應(yīng)力水平時為2個，少于4個應(yīng)力水平時為3個。

六、確定測試溫度

纖維增強樹脂基復合材料蠕變對應(yīng)力和溫度的響應(yīng)類似于高聚物對應(yīng)力和溫度的響應(yīng)，蠕變應(yīng)變隨應(yīng)力級和溫度的升高而增大，因此溫度是在蠕變性能測試中的一個重要參數(shù)，蠕變和斷裂蠕變的測試溫度的選擇取決于測試結(jié)果應(yīng)用，這主要分為測試材料性能、獲得設(shè)計參數(shù)以及獲得1%應(yīng)變在1000h時的應(yīng)力或與其他簡單材料進行類似數(shù)據(jù)比較，依此來分別進行了溫度選取的確定。確定方案如下：

測試材料性能時，一般在常用的溫度范圍內(nèi)至少選取2個測試溫度，通常選擇高溫條件，以合適的升溫梯度來反應(yīng)材料隨著溫度變化時的蠕變特性。為獲得設(shè)計參數(shù)時，測試溫度及環(huán)境應(yīng)與實際產(chǎn)品的最終應(yīng)用環(huán)境相同。為了獲得在1000h時產(chǎn)生1%應(yīng)變所受的應(yīng)力或與其他材料進行比對時，測試溫度應(yīng)在23℃、50℃、70℃、90℃、120℃和155℃中選擇。

七、確定應(yīng)力水平

確定應(yīng)力水平可以為獲得設(shè)計試驗參數(shù)或描述材料性能進行重要描述。當應(yīng)力水平較低時，蠕變應(yīng)變隨時間延長變化緩慢，呈現(xiàn)為蠕變速率減速段和恒速段；當應(yīng)力水平較高時，蠕變應(yīng)變隨時間變化加快，曲線可能經(jīng)歷減速段、恒速段，最終進入增速段甚至發(fā)生破壞。

因此，對表現(xiàn)為線性粘彈性的材料，由于在不同應(yīng)力下連續(xù)蠕變模量隨時間會相互疊加，因此在每個溫度下應(yīng)至少選擇3個應(yīng)力水平；對一些明顯受應(yīng)力影響的材料，在每個溫度下應(yīng)至少選擇5個應(yīng)力水平；應(yīng)當以相同的增量選擇應(yīng)力水平，以保證數(shù)據(jù)的可靠性；當在蠕變測試中產(chǎn)生破壞的時間少于1000h時，不采用應(yīng)力水平；在為了進行簡單材料類比時，應(yīng)測試在1000h時產(chǎn)生1%應(yīng)變所受的應(yīng)力。蠕變斷裂測試時，每個測試溫度下至少選擇7個應(yīng)力水平，以使得在下述時間點附近產(chǎn)生破壞：1h、10h、30h、100h、300h、1000h、3000h。

最終試驗方案確定

1.將試樣編號、劃線，測量試樣工作段或跨中任意三點的寬度和厚度，取算術(shù)平均值。

2.將試樣安裝到拉伸蠕變夾具、壓縮蠕變夾具或彎曲蠕變試驗裝置中。如果需要，按照相同方式，在測試試樣旁邊安裝對比試樣。

3.在試樣（以及對比試樣）上安裝變形測試裝置。

4.選擇測試溫度和應(yīng)力水平，計算初始應(yīng)力。

5.對試樣迅速平穩(wěn)加載至試驗載荷，加載過程建議在1s-5s內(nèi)完成。同種材料的一系列試驗應(yīng)使用相同的加載速度。在加載至試驗載荷時開始計時。

6.測量試樣（及對比試樣）的伸長量、壓縮量或撓曲量，若變形量測量不是自動和連續(xù)記錄的，則按下列時間間隔測量應(yīng)變:1min、6min、12min、30min；1h、2h、5h、20h、50h、100h、200h、500h、700h和1000h等。如果蠕變應(yīng)變曲線隨時間不連續(xù)或呈間斷式，則變形量的讀取應(yīng)比上述時間安排更頻繁。

7.測量并記錄試樣表面溫度、試驗環(huán)境溫度及濕度，若溫濕度測量不是自動記錄的，則應(yīng)在測量變形量時記錄。進行在1000h時產(chǎn)生1%應(yīng)變所受的應(yīng)力測試時，測量至少3個應(yīng)力下1000h產(chǎn)生的應(yīng)變，進而描繪出一個1000h的等時應(yīng)力-應(yīng)變曲線，通過插值法獲得產(chǎn)生1%應(yīng)變的應(yīng)力值。

8.進行蠕變斷裂測試時，測量材料的斷裂時間；對于明顯在斷裂前存在屈服特征的材料，斷裂時間為上述屈服特征的起始時間。需要主義的是：在進行蠕變斷裂測試時，建議采用拉伸法，因為對于一些塑性纖維增強塑料在彎曲或壓縮模式下不發(fā)生斷裂。

目前，纖維增強塑料的蠕變性能已成為工程實際應(yīng)用和纖維增強塑料構(gòu)件安全的一個主要指標。常規(guī)的力學性能檢測并不能很好地評價纖維增強塑料的長期使用性能，這就需要我們針對纖維增強塑料在溫度、應(yīng)力和時間的綜合影響下表現(xiàn)出的蠕變性能進行測定，從而以此來對纖維增強塑料的長期使用性能進行評價。該橡塑科技公司通過我們試驗方案獲得的數(shù)據(jù)，很直觀的就了解了該纖維增強塑料產(chǎn)品的蠕變性能。有關(guān)纖維增強塑料的蠕變試驗，大家還有哪些相關(guān)疑問？歡迎留言討論。