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蠕變性能屬于機(jī)械力學(xué)性能檢測(cè)項(xiàng)目。在我國(guó)的國(guó)民經(jīng)濟(jì)及國(guó)防軍工領(lǐng)域，纖維增強(qiáng)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(guó)各個(gè)產(chǎn)業(yè)中，發(fā)揮著極其重要的作用。由纖維增強(qiáng)塑料制成的產(chǎn)品或構(gòu)件在長(zhǎng)期的使用過(guò)程中，可能會(huì)產(chǎn)生一定的蠕變現(xiàn)象，特別是處于長(zhǎng)期的恒定應(yīng)力或較高溫度下，塑料受到的蠕變量會(huì)隨時(shí)間的增長(zhǎng)而增加。

蠕變量的長(zhǎng)期積累的后果之一，就是導(dǎo)致纖維增強(qiáng)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(jìn)而大大降低纖維增強(qiáng)塑料及其構(gòu)件的使用壽命。蠕變性能就是通過(guò)不同的蠕變?cè)囼?yàn)方法來(lái)確定纖維增強(qiáng)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(cè)試環(huán)境下的失效時(shí)間，以此來(lái)評(píng)估材料的長(zhǎng)期使用性能。

一、需求背景

由于蠕變性能是表征纖維增強(qiáng)塑料長(zhǎng)期使用性能的一個(gè)重要指標(biāo)，而長(zhǎng)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(wèn)題。此外蠕變性能也是纖維增強(qiáng)塑料產(chǎn)品研發(fā)時(shí)，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(qiáng)塑料產(chǎn)品達(dá)到在長(zhǎng)期受載或高溫狀態(tài)下不發(fā)生破壞，同時(shí)滿足其使用的要求，因此需要對(duì)纖維增強(qiáng)塑料的蠕變性能進(jìn)行測(cè)定。

二、需求簡(jiǎn)述

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

三、確定試驗(yàn)裝置

本次試驗(yàn)裝置的確定主要參考GB/T1446-2005和ASTMD2990-2009中對(duì)試驗(yàn)裝置的要求而定，其中，拉伸蠕變的測(cè)定還需滿足GB/T1447-2005中對(duì)試驗(yàn)裝置的要求。壓縮蠕變?cè)囼?yàn)裝置中由于需要隨無(wú)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(duì)中，從而總載荷能夠通過(guò)試樣中心；彎曲蠕變性能的測(cè)定還需滿足GB/T1449-2005中對(duì)試驗(yàn)裝置的要求，一般情況可采用三點(diǎn)彎曲的試驗(yàn)裝置，必要時(shí)也可采用四點(diǎn)彎曲。

四、確定測(cè)量裝置

我們?cè)谶x定伸長(zhǎng)性能、壓縮以及撓度測(cè)量裝置，伸長(zhǎng)量的測(cè)量方法，我們推薦采用在試樣上直接測(cè)量而不是測(cè)量夾具間距，試樣在跨距中點(diǎn)的撓度值可通過(guò)千分表或高差計(jì)來(lái)測(cè)量，變形測(cè)量?jī)x表的精確度應(yīng)為測(cè)量變形量的±1%。由于變形測(cè)量?jī)x的校準(zhǔn)取決于溫度和濕度，因此要在盡可能接近測(cè)試環(huán)境條件下進(jìn)行校準(zhǔn)。時(shí)間測(cè)量裝置的精度應(yīng)為每個(gè)蠕變測(cè)試的斷裂時(shí)間、破壞時(shí)間或運(yùn)行時(shí)間的其中一個(gè)的±1%，或由以上多個(gè)時(shí)間來(lái)確定。由于在測(cè)試過(guò)程中由較小溫度波動(dòng)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(cè)試過(guò)程中需保證在試樣標(biāo)距長(zhǎng)度內(nèi)溫度的精確測(cè)量且溫度測(cè)量裝置需定期校準(zhǔn)。

由于試驗(yàn)材料的蠕變性能在測(cè)試過(guò)程中可能受到濕度的影響，因此要保證相對(duì)濕度在整個(gè)測(cè)試過(guò)程中的波動(dòng)控制在±5%以內(nèi)，且控制和測(cè)量裝置應(yīng)有良好的長(zhǎng)期穩(wěn)定性，控制精度達(dá)到±1%。同時(shí)在測(cè)試過(guò)程中要保持測(cè)試環(huán)境恒定。此外還需要注意的就是由于蠕變測(cè)試對(duì)沖擊和振動(dòng)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(dòng)。

五、樣品形狀和尺寸確定

試樣的形狀和尺寸樣是決定試驗(yàn)結(jié)果的重要的參數(shù)，因此對(duì)不同類型蠕變的試樣形狀、尺寸以及尺寸的測(cè)量進(jìn)行了確定。其中，對(duì)于拉伸蠕變測(cè)試的試樣可參照GB/T1447-2005中規(guī)定的Ⅰ型和Ⅱ型試樣；對(duì)于壓縮蠕變測(cè)試的試樣參照可GB/T1448-2005中的規(guī)定；對(duì)于彎曲蠕變測(cè)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(duì)比性，我們?cè)谟冒宀闹谱髟嚇訒r(shí)應(yīng)沿一個(gè)方向進(jìn)行剪裁，當(dāng)然如果材料是各向異性，應(yīng)沿著板材兩個(gè)主方向分別剪裁一組試樣。特別要注意的是，由于試驗(yàn)必須保持準(zhǔn)確性和嚴(yán)謹(jǐn)性，當(dāng)已知材料尺寸會(huì)在指定環(huán)境下發(fā)生明顯改變，應(yīng)在試樣空載時(shí)沿著試樣做一些針對(duì)非蠕變的尺寸改變的補(bǔ)償措施，每個(gè)測(cè)試溫度下至少測(cè)試3個(gè)試樣。在單一溫度下進(jìn)行蠕變測(cè)試時(shí)，試樣在每個(gè)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(gè)應(yīng)力水平時(shí)為2個(gè)，少于4個(gè)應(yīng)力水平時(shí)為3個(gè)。

六、確定測(cè)試溫度

纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料蠕變對(duì)應(yīng)力和溫度的響應(yīng)類似于高聚物對(duì)應(yīng)力和溫度的響應(yīng)，蠕變應(yīng)變隨應(yīng)力級(jí)和溫度的升高而增大，因此溫度是在蠕變性能測(cè)試中的一個(gè)重要參數(shù)，蠕變和斷裂蠕變的測(cè)試溫度的選擇取決于測(cè)試結(jié)果應(yīng)用，這主要分為測(cè)試材料性能、獲得設(shè)計(jì)參數(shù)以及獲得1%應(yīng)變?cè)?000h時(shí)的應(yīng)力或與其他簡(jiǎn)單材料進(jìn)行類似數(shù)據(jù)比較，依此來(lái)分別進(jìn)行了溫度選取的確定。確定方案如下：

測(cè)試材料性能時(shí)，一般在常用的溫度范圍內(nèi)至少選取2個(gè)測(cè)試溫度，通常選擇高溫條件，以合適的升溫梯度來(lái)反應(yīng)材料隨著溫度變化時(shí)的蠕變特性。為獲得設(shè)計(jì)參數(shù)時(shí)，測(cè)試溫度及環(huán)境應(yīng)與實(shí)際產(chǎn)品的最終應(yīng)用環(huán)境相同。為了獲得在1000h時(shí)產(chǎn)生1%應(yīng)變所受的應(yīng)力或與其他材料進(jìn)行比對(duì)時(shí)，測(cè)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(jì)試驗(yàn)參數(shù)或描述材料性能進(jìn)行重要描述。當(dāng)應(yīng)力水平較低時(shí)，蠕變應(yīng)變隨時(shí)間延長(zhǎng)變化緩慢，呈現(xiàn)為蠕變速率減速段和恒速段；當(dāng)應(yīng)力水平較高時(shí)，蠕變應(yīng)變隨時(shí)間變化加快，曲線可能經(jīng)歷減速段、恒速段，最終進(jìn)入增速段甚至發(fā)生破壞。

因此，對(duì)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(shí)間會(huì)相互疊加，因此在每個(gè)溫度下應(yīng)至少選擇3個(gè)應(yīng)力水平；對(duì)一些明顯受應(yīng)力影響的材料，在每個(gè)溫度下應(yīng)至少選擇5個(gè)應(yīng)力水平；應(yīng)當(dāng)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(dāng)在蠕變測(cè)試中產(chǎn)生破壞的時(shí)間少于1000h時(shí)，不采用應(yīng)力水平；在為了進(jìn)行簡(jiǎn)單材料類比時(shí)，應(yīng)測(cè)試在1000h時(shí)產(chǎn)生1%應(yīng)變所受的應(yīng)力。蠕變斷裂測(cè)試時(shí)，每個(gè)測(cè)試溫度下至少選擇7個(gè)應(yīng)力水平，以使得在下述時(shí)間點(diǎn)附近產(chǎn)生破壞：1h、10h、30h、100h、300h、1000h、3000h。

最終試驗(yàn)方案確定

1.將試樣編號(hào)、劃線，測(cè)量試樣工作段或跨中任意三點(diǎn)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?cè)囼?yàn)裝置中。如果需要，按照相同方式，在測(cè)試試樣旁邊安裝對(duì)比試樣。

3.在試樣（以及對(duì)比試樣）上安裝變形測(cè)試裝置。

4.選擇測(cè)試溫度和應(yīng)力水平，計(jì)算初始應(yīng)力。

5.對(duì)試樣迅速平穩(wěn)加載至試驗(yàn)載荷，加載過(guò)程建議在1s-5s內(nèi)完成。同種材料的一系列試驗(yàn)應(yīng)使用相同的加載速度。在加載至試驗(yàn)載荷時(shí)開(kāi)始計(jì)時(shí)。

6.測(cè)量試樣（及對(duì)比試樣）的伸長(zhǎng)量、壓縮量或撓曲量，若變形量測(cè)量不是自動(dòng)和連續(xù)記錄的，則按下列時(shí)間間隔測(cè)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(shí)間不連續(xù)或呈間斷式，則變形量的讀取應(yīng)比上述時(shí)間安排更頻繁。

7.測(cè)量并記錄試樣表面溫度、試驗(yàn)環(huán)境溫度及濕度，若溫濕度測(cè)量不是自動(dòng)記錄的，則應(yīng)在測(cè)量變形量時(shí)記錄。進(jìn)行在1000h時(shí)產(chǎn)生1%應(yīng)變所受的應(yīng)力測(cè)試時(shí)，測(cè)量至少3個(gè)應(yīng)力下1000h產(chǎn)生的應(yīng)變，進(jìn)而描繪出一個(gè)1000h的等時(shí)應(yīng)力-應(yīng)變曲線，通過(guò)插值法獲得產(chǎn)生1%應(yīng)變的應(yīng)力值。

8.進(jìn)行蠕變斷裂測(cè)試時(shí)，測(cè)量材料的斷裂時(shí)間；對(duì)于明顯在斷裂前存在屈服特征的材料，斷裂時(shí)間為上述屈服特征的起始時(shí)間。需要主義的是：在進(jìn)行蠕變斷裂測(cè)試時(shí)，建議采用拉伸法，因?yàn)閷?duì)于一些塑性纖維增強(qiáng)塑料在彎曲或壓縮模式下不發(fā)生斷裂。

目前，纖維增強(qiáng)塑料的蠕變性能已成為工程實(shí)際應(yīng)用和纖維增強(qiáng)塑料構(gòu)件安全的一個(gè)主要指標(biāo)。常規(guī)的力學(xué)性能檢測(cè)并不能很好地評(píng)價(jià)纖維增強(qiáng)塑料的長(zhǎng)期使用性能，這就需要我們針對(duì)纖維增強(qiáng)塑料在溫度、應(yīng)力和時(shí)間的綜合影響下表現(xiàn)出的蠕變性能進(jìn)行測(cè)定，從而以此來(lái)對(duì)纖維增強(qiáng)塑料的長(zhǎng)期使用性能進(jìn)行評(píng)價(jià)。該橡塑科技公司通過(guò)我們?cè)囼?yàn)方案獲得的數(shù)據(jù)，很直觀的就了解了該纖維增強(qiáng)塑料產(chǎn)品的蠕變性能。有關(guān)纖維增強(qiáng)塑料的蠕變?cè)囼?yàn)，大家還有哪些相關(guān)疑問(wèn)？歡迎留言討論。