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塑料蠕變?cè)囼?yàn)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)與方法

嘉峪檢測(cè)網(wǎng) 2025-08-26 18:11

塑料廣泛應(yīng)用于汽車(chē)工業(yè)。目前，一輛汽車(chē)大約有30000個(gè)零件，其中1/3是由塑料制成的，總共有約39種不同類(lèi)型的基本塑料和聚合物用于制造汽車(chē)。

超過(guò)70%的汽車(chē)用塑料來(lái)自四種聚合物：聚丙烯、聚氨酯、聚酰胺和PVC。塑料使工程師能夠設(shè)計(jì)任何產(chǎn)品形狀，同時(shí)保持足夠的強(qiáng)度和減輕重量。汽車(chē)照明的主要材料是塑料和彈性體，如PC、PP、ABS、PMMA等。典型的汽車(chē)剎車(chē)燈如圖1所示。

蠕變和應(yīng)力松弛

塑料是粘彈性材料，對(duì)應(yīng)力的響應(yīng)兼有彈性固體和粘性流體的雙重特性。一些常見(jiàn)的力學(xué)效應(yīng)有蠕變、應(yīng)力松弛、斷裂和疲勞。這些效應(yīng)的變化特性對(duì)應(yīng)變率、作用時(shí)間、作用歷史和溫度等因素非常敏感。多年來(lái)，我們已經(jīng)開(kāi)發(fā)了許多材料模型來(lái)預(yù)測(cè)粘彈性材料的行為，其中最成功的數(shù)學(xué)模型基于彈簧單元（彈性效應(yīng)）和緩沖器單元（粘性效應(yīng)）。包括麥克斯韋模型、開(kāi)爾文模型和兩者的結(jié)合。

蠕變是塑料最重要的失效模式之一。塑料受恒定的載荷時(shí)，表現(xiàn)出隨時(shí)間變化的應(yīng)變響應(yīng)，如圖3所示，這種行為稱(chēng)為蠕變。塑料粘彈性的另一個(gè)重要特性是應(yīng)力松弛：如果塑料承受恒定的應(yīng)變，則維持該應(yīng)變所需的應(yīng)力減小。應(yīng)力松弛行為在墊片、密封件、彈簧和卡扣組件的設(shè)計(jì)以及螺栓預(yù)緊設(shè)計(jì)中非常重要。

介觀蠕變機(jī)制

蠕變機(jī)制與非牛頓流體相關(guān)，而松弛過(guò)程中蠕變應(yīng)變的增加與彈性應(yīng)變的減小量相同，故蠕變過(guò)程是與非牛頓流體一致的粘性變形過(guò)程，應(yīng)力松弛過(guò)程則是材料彈性與粘性之間平衡的結(jié)果。

通常，聚合物是由許多由化學(xué)鍵連接的結(jié)構(gòu)單元組成的，它是多層次結(jié)構(gòu)的總和，包括近程結(jié)構(gòu)、遠(yuǎn)程結(jié)構(gòu)、聚集態(tài)結(jié)構(gòu)和織態(tài)結(jié)構(gòu)。圖4顯示了多個(gè)鏈段的聚集態(tài)結(jié)構(gòu)，橢圓所包圍的部分是一個(gè)完整的分子鏈。同樣，在實(shí)際分子鏈中存在鏈段間、鍵角限制和勢(shì)壘等界面相互作用，且分子鏈段由于本身在微觀上具有完全的各向同性彈性，在拉伸力作用下產(chǎn)生彈性變形。

從圖5可以看出，在拉伸載荷作用下，非晶態(tài)分子結(jié)構(gòu)由于分子間鍵較低,容易引起聚合物分子的解纏和相互滑移。晶體分子結(jié)構(gòu)具有更強(qiáng)、更密集的鍵。它易受傾斜和重新定向以及輕微膨脹的影響。

圖4 聚合物的分子結(jié)構(gòu)圖

圖5 聚乙烯分子結(jié)構(gòu)示意圖

當(dāng)施加外載荷時(shí)，單元本身發(fā)生彈性變形，沿基體與界面的法向應(yīng)力梯度成為相對(duì)運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力源，界面間將被動(dòng)產(chǎn)生內(nèi)耗而發(fā)生不同程度的滑移，在加載方向上產(chǎn)生蠕變。在蠕變過(guò)程中，外力保持不變，由于其短期特性，彈性力會(huì)立即發(fā)生彈性變形。粘滯力隨時(shí)間的推移逐漸增大，直到彈性力和粘滯力達(dá)到平衡為止。

各階段蠕變意義

蠕變曲線中有3個(gè)階段，如圖6。

圖6 蠕變的三個(gè)應(yīng)變的變化階段

第一階段-初級(jí)蠕變（Primary Creep）

· 曲線特征：剛加載時(shí)，應(yīng)變速率逐漸減小。· 物理意義：這一階段，材料內(nèi)部的分子鏈和微觀結(jié)構(gòu)正在快速調(diào)整。部分分子鏈解開(kāi)取向、局部應(yīng)力松弛，使材料逐漸找到一個(gè)新的平衡狀態(tài)。

第二階段-穩(wěn)態(tài)蠕變（Secondary Creep）

· 曲線特征：應(yīng)變隨時(shí)間近似線性增長(zhǎng)，變形速率恒定。

· 物理意義：內(nèi)部的應(yīng)力松弛與分子鏈滑移達(dá)成動(dòng)態(tài)平衡。材料在這一階段表現(xiàn)出

這是工程設(shè)計(jì)中最關(guān)注的階段，因?yàn)榱慵拇蟛糠址蹓勖荚谶@里消耗。

第三階段-三級(jí)蠕變（Tertiary Creep）

· 曲線特征：變形速率急劇增加，直至斷裂.

· 物理意義：在長(zhǎng)期載荷下，材料局部已經(jīng)出現(xiàn)微裂紋或頸縮，導(dǎo)致局部應(yīng)力集中，最終加速破壞。

一旦進(jìn)入這一階段，零件已經(jīng)“不可逆”，失效只是時(shí)間問(wèn)題。

通常，蠕變的第一和第二階段通常是最重要的。圖7顯示了某款塑料蠕變?cè)囼?yàn)數(shù)據(jù)。

圖7 某軟質(zhì)塑料的標(biāo)稱(chēng)蠕變應(yīng)變曲線圖

蠕變測(cè)試方法

塑料蠕變?cè)囼?yàn)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)：

ISO 899-1 蠕變行為的測(cè)定 - 第 1 部分：拉伸蠕變

ISO 899-2 蠕變行為的測(cè)定 - 第 2 部分：三點(diǎn)加載的彎曲蠕變

ASTM D2990塑料拉伸、壓縮和彎曲蠕變和蠕變破裂的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試方法

ISO 16770塑料 - 聚乙烯環(huán)境應(yīng)力開(kāi)裂 (ESC) 的測(cè)定 - 全缺口蠕變?cè)囼?yàn) (FNCT)

ISO 3384-1硫化或熱塑性橡膠 – 壓縮應(yīng)力松弛的測(cè)定

蠕變?cè)囼?yàn)確定了哪些特征值？

拉伸蠕變應(yīng)變、標(biāo)稱(chēng)拉伸蠕變應(yīng)變、拉伸蠕變模量、標(biāo)稱(chēng)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。

需要提前明確哪些條件？

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(guò)模量進(jìn)行換算得出初始載荷；時(shí)間無(wú)規(guī)定，準(zhǔn)確至±2s內(nèi)，通常在1000h內(nèi)。

蠕變測(cè)試案例

圖8 蠕變?cè)囼?yàn)機(jī)

技術(shù)參數(shù)：

1、最大載荷5 kN；

2、精度等級(jí)0.5級(jí)；

3、試驗(yàn)溫度-20-150℃。

背景：

隨著汽車(chē)使用時(shí)間的增長(zhǎng)，車(chē)燈塑料部件在長(zhǎng)期受力情況下會(huì)發(fā)生緩慢且持續(xù)的變形現(xiàn)象。車(chē)燈蠕變看似微小，卻可能帶來(lái)嚴(yán)重后果：光型偏離法規(guī)要求、密封性能下降導(dǎo)致進(jìn)水起霧、甚至燈殼開(kāi)裂引發(fā)完全失效。

1）拉伸蠕變測(cè)試

圖9 拉伸蠕變測(cè)試過(guò)程

用于汽車(chē)的典型材料PMMA表現(xiàn)出室溫蠕變。其初始抗拉強(qiáng)度較高，但長(zhǎng)期高應(yīng)力載荷下會(huì)出現(xiàn)變形和裂紋現(xiàn)象。在評(píng)估最大螺釘扭矩時(shí)，由于螺釘墊部件中應(yīng)力松弛的存在，3小時(shí)熱循環(huán)試驗(yàn)后可檢測(cè)到低扭矩（圖10）。由于應(yīng)力松弛的存在，長(zhǎng)時(shí)間熱循環(huán)試驗(yàn)后，過(guò)大的預(yù)載可能導(dǎo)致殼體夾具永久變形（圖11）。