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材料蠕變指固體材料在恒定應(yīng)力作用下，應(yīng)變隨時(shí)間延長(zhǎng)而增加的現(xiàn)象。

 

汽車輕量化發(fā)展趨勢(shì)日漸迅猛，許多車用零部件實(shí)現(xiàn)了以塑代鋼，且在部分零部件中承擔(dān)功能結(jié)構(gòu)件的作用，相比于傳統(tǒng)金屬零件，塑料零件的長(zhǎng)期安全性、可靠性需要得到保證，特別是對(duì)于汽車零部件如前端框架、進(jìn)氣歧管、排風(fēng)扇及發(fā)動(dòng)機(jī)周邊其他零部件在抗蠕變性能的要求上也更加苛刻。

 

基于市場(chǎng)需求，國高材分析測(cè)試中心引進(jìn)了蠕變?cè)囼?yàn)機(jī)，且在塑料蠕變測(cè)試方面積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)，同時(shí)也在不斷服務(wù)市場(chǎng)的過程，發(fā)現(xiàn)一些客戶對(duì)試樣前期準(zhǔn)備工作不足，盲目測(cè)試。本文，希望通過幾個(gè)客戶服務(wù)案例，論證5大準(zhǔn)備工作對(duì)材料蠕變測(cè)試的重要性。

 

一、所有的材料都能測(cè)蠕變？看標(biāo)準(zhǔn)怎么說

 

常用塑料蠕變性能測(cè)試的標(biāo)準(zhǔn)有ISO 899-1/2，GB/T 11546.1/2，ASTM D2990。適用于硬質(zhì)和半硬質(zhì)的非增強(qiáng)、填充和纖維增強(qiáng)的塑料材料，可直接模塑的啞鈴型試樣或從薄片或模塑制品機(jī)加工所得的試樣。通常進(jìn)行蠕變測(cè)試，需要得到的測(cè)試項(xiàng)目有：拉伸蠕變應(yīng)變、標(biāo)稱拉伸蠕變應(yīng)變、拉伸蠕變模量、標(biāo)稱拉伸蠕變模量、破斷時(shí)間、等時(shí)應(yīng)力-應(yīng)變曲線、蠕變恢復(fù)等。進(jìn)行蠕變性能測(cè)試，需明確三個(gè)條件：溫度、載荷、時(shí)間。溫度應(yīng)與狀態(tài)調(diào)節(jié)相同的環(huán)境下進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)時(shí)間內(nèi)溫度偏差在±2℃；載荷應(yīng)與材料的預(yù)期應(yīng)用相當(dāng)，規(guī)定初始應(yīng)變可通過模量進(jìn)行換算得出初始載荷；時(shí)間無規(guī)定，準(zhǔn)確至±2s內(nèi)，通常在1000h內(nèi)。

 

二、需注意標(biāo)準(zhǔn)范圍外的非硬質(zhì)塑料蠕變性能特征

 

如某軟質(zhì)塑料的蠕變性能：溫度23℃，拉伸強(qiáng)度的10%、20%、40%、50%、70%載荷條件下的100h蠕變曲線，通過基礎(chǔ)物性檢測(cè)可得出其拉伸強(qiáng)度為21MPa。

 

圖1 某軟質(zhì)塑料的標(biāo)稱蠕變應(yīng)變曲線圖

 

經(jīng)過規(guī)范測(cè)試后得出的標(biāo)稱蠕變應(yīng)變隨時(shí)間的蠕變曲線關(guān)系如圖1所示，可看出10%、20%的蠕變應(yīng)變較小，100h大概變形0.53%、0.99%，而大載荷如40%、50%、70%最終的變形量都較大，且無法拉斷，達(dá)到設(shè)備的量程極限處停止，且大載荷50%、70%很快就達(dá)到了設(shè)備最大量程處，近似可看成靜態(tài)拉伸。

 

因此非硬質(zhì)材料測(cè)試其大載荷條件下的蠕變性能是無意義的。整個(gè)蠕變過程可近似看成靜態(tài)拉伸，且宏觀上產(chǎn)生了明顯塑性變形或頸縮，材料已經(jīng)進(jìn)入到失穩(wěn)階段，此時(shí)產(chǎn)生的變形也是任何結(jié)構(gòu)工件所不能允許的。

 

再者，大多數(shù)客戶需要蠕變數(shù)據(jù)是CAE仿真分析需要，希望應(yīng)用到工程設(shè)計(jì)上使用，因此必須使用標(biāo)距段的變形量才可應(yīng)用到CAE仿真分析中。而我們加上標(biāo)記塊得出的結(jié)果如圖2所示。

 

圖2 某軟質(zhì)材料的蠕變應(yīng)變曲線和測(cè)試現(xiàn)象圖

 

由圖2中的曲線圖可以看出大載荷50%和70%載荷條件下，蠕變開始上升后極速下降至負(fù)值，而40%載荷條件下亦是先增加后下降然后穩(wěn)定。結(jié)合圖2中樣品和標(biāo)記塊的狀態(tài)圖可以得出，樣條在發(fā)生較大變形時(shí)，橫截面積減小，標(biāo)記塊無法有效固定在樣品上發(fā)生滑落，失去了監(jiān)測(cè)變形的價(jià)值。且載荷在40%時(shí)，由于樣條變細(xì)，標(biāo)記塊出現(xiàn)滑動(dòng)，監(jiān)測(cè)到的蠕變應(yīng)變結(jié)果亦不可靠。

 

因此，標(biāo)準(zhǔn)范圍外的軟質(zhì)塑料或非硬質(zhì)半硬質(zhì)塑料，測(cè)試蠕變性能通常意義不大，很難應(yīng)用到結(jié)構(gòu)工程設(shè)計(jì)中。常被用來做橫向?qū)Ρ?，探究相同條件下材料間的抗蠕變能力的差異，為選材或替代材料提供試驗(yàn)依據(jù)。

 

三、提前確認(rèn)試樣的穩(wěn)定性

 

樣品的穩(wěn)定性在測(cè)試蠕變性能時(shí)尤為重要，因?yàn)槿渥儨y(cè)試就是會(huì)將缺陷效果放大，進(jìn)而影響到材料整體壽命，而且失效突破點(diǎn)往往是在缺陷處開始然后逐漸擴(kuò)大，最終導(dǎo)致斷裂。

 

如對(duì)某玻璃纖維增強(qiáng)材料進(jìn)行25℃和130℃條件的下的蠕變測(cè)試，獲得蠕變破斷曲線如圖3所示，從結(jié)果中可以看出斷裂具有隨機(jī)性，數(shù)據(jù)點(diǎn)離散程度非常高。存在低載荷的情況斷裂時(shí)間比相對(duì)高載荷的斷裂時(shí)間還要長(zhǎng)，且同一個(gè)位置連續(xù)測(cè)試兩次的結(jié)果相差亦較大。其原因，可能是由于玻璃纖維的分布均勻性不一，樹脂與玻璃纖維的結(jié)合差異，給予的缺陷效果不一樣，反饋到蠕變破斷時(shí)間較離散。

 

圖3 某玻璃纖維增強(qiáng)材料的蠕變破斷時(shí)間曲線

 

因此，樣品的穩(wěn)定性好，表現(xiàn)出的長(zhǎng)期蠕變性能會(huì)較穩(wěn)定，降低了復(fù)測(cè)的次數(shù)，節(jié)約了成本和提高了測(cè)試效率，避免了異常結(jié)果對(duì)試驗(yàn)設(shè)計(jì)的干擾。

 

四、選取合適的蠕變測(cè)試方向

 

纖維增強(qiáng)塑料具有各項(xiàng)異性，通常在測(cè)試過程中需評(píng)估0°、45°、90°方向的力學(xué)性能，不同方向的蠕變性能差異較大，且穩(wěn)定性也不一樣。

 

如某應(yīng)用到汽車風(fēng)扇及護(hù)風(fēng)圈中的纖維增強(qiáng)材料，工作時(shí)長(zhǎng)期受到一個(gè)風(fēng)阻和外擺力，需要提供三個(gè)方向（0°、45°、90°）上的蠕變數(shù)據(jù)。測(cè)試的蠕變曲線（85℃&10MPa&100h）見圖4所示，由圖4可以看出三個(gè)方向表現(xiàn)各異，總體表現(xiàn)出0°＞45°＞90°，其實(shí)這也是與纖維增強(qiáng)塑料的纖維分布有關(guān)，及各方向上的靜態(tài)拉伸性能相關(guān)。

 

圖4 某纖維增強(qiáng)材料三個(gè)方向的蠕變曲線圖

 

五、依據(jù)材料特性合理選擇蠕變參數(shù)

 

合理的參數(shù)選定對(duì)蠕變測(cè)試起到至關(guān)重要的作用，不合適的參數(shù)會(huì)導(dǎo)致試驗(yàn)失敗或結(jié)果無價(jià)值，無法指導(dǎo)工程設(shè)計(jì)和實(shí)況分析。

 

如圖5所示，某汽車結(jié)構(gòu)件改性塑料，在40℃和100℃溫度條件下進(jìn)行蠕變?cè)囼?yàn)，施加載荷1.5kN，測(cè)試時(shí)間24h。從圖中可以看出40℃條件下發(fā)生的變形量較小，而在100℃條件近似可看成一個(gè)靜態(tài)拉伸。核實(shí)該材料100℃條件下的靜態(tài)拉伸，發(fā)現(xiàn)強(qiáng)度低于1.5kN，因此盲目選取參數(shù)致使試驗(yàn)結(jié)果無效。

 

圖5某汽車結(jié)構(gòu)件改性塑料在40℃和100℃條件下的蠕變曲線

 

如圖6所示的某發(fā)動(dòng)機(jī)周邊材料在60℃和80℃條件下進(jìn)行的蠕變破斷曲線，數(shù)據(jù)由客戶提供，要求我們測(cè)試出至少一個(gè)點(diǎn)斷裂在500h-1000h內(nèi)，而且客戶認(rèn)為他們的蠕變破斷曲線的規(guī)律為初始應(yīng)力隨破斷時(shí)間的對(duì)數(shù)成線性關(guān)系。

 

 

（a）直線擬合 

 

 

（b）對(duì)數(shù)擬合

 

因此依據(jù)現(xiàn)有數(shù)據(jù)進(jìn)行線性擬合結(jié)果見圖6a，依據(jù)擬合方程可計(jì)算出破斷時(shí)間為500h對(duì)應(yīng)的應(yīng)力（見表1所示），從表中的線性擬合可以看出，60度條件下破斷時(shí)間在500h時(shí)的施加應(yīng)力比80度條件還要低，這明顯不符合常理，而按照對(duì)數(shù)擬合，可看出擬合的效果更好，且預(yù)測(cè)出的載荷也更符合規(guī)律。

 

表1 某發(fā)動(dòng)機(jī)周邊材料蠕變破斷擬合曲線預(yù)測(cè)結(jié)果

 

因此，參數(shù)的設(shè)定需依據(jù)實(shí)際工況、材料特性、一般規(guī)律進(jìn)行合理選擇和設(shè)定，不做無用功，不測(cè)無用結(jié)果，節(jié)約資源，提高效率。