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嘉峪檢測網 2022-07-30 21:52
材料蠕變指固體材料在恒定應力作用下，應變隨時間延長而增加的現象。
汽車輕量化發展趨勢日漸迅猛，許多車用零部件實現了以塑代鋼，且在部分零部件中承擔功能結構件的作用，相比于傳統金屬零件，塑料零件的長期安全性、可靠性需要得到保證，特別是對于汽車零部件如前端框架、進氣歧管、排風扇及發動機周邊其他零部件在抗蠕變性能的要求上也更加苛刻。
基于市場需求，國高材分析測試中心引進了蠕變試驗機，且在塑料蠕變測試方面積累了豐富的經驗，同時也在不斷服務市場的過程，發現一些客戶對試樣前期準備工作不足，盲目測試。本文，希望通過幾個客戶服務案例，論證5大準備工作對材料蠕變測試的重要性。
一、所有的材料都能測蠕變？看標準怎么說
常用塑料蠕變性能測試的標準有ISO 899-1/2，GB/T 11546.1/2，ASTM D2990。適用于硬質和半硬質的非增強、填充和纖維增強的塑料材料，可直接模塑的啞鈴型試樣或從薄片或模塑制品機加工所得的試樣。通常進行蠕變測試，需要得到的測試項目有：拉伸蠕變應變、標稱拉伸蠕變應變、拉伸蠕變模量、標稱拉伸蠕變模量、破斷時間、等時應力-應變曲線、蠕變恢復等。進行蠕變性能測試，需明確三個條件：溫度、載荷、時間。溫度應與狀態調節相同的環境下進行試驗，試驗時間內溫度偏差在±2℃；載荷應與材料的預期應用相當，規定初始應變可通過模量進行換算得出初始載荷；時間無規定，準確至±2s內，通常在1000h內。
二、需注意標準范圍外的非硬質塑料蠕變性能特征
如某軟質塑料的蠕變性能：溫度23℃，拉伸強度的10%、20%、40%、50%、70%載荷條件下的100h蠕變曲線，通過基礎物性檢測可得出其拉伸強度為21MPa。
圖1 某軟質塑料的標稱蠕變應變曲線圖
經過規范測試后得出的標稱蠕變應變隨時間的蠕變曲線關系如圖1所示，可看出10%、20%的蠕變應變較小，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，達到設備的量程極限處停止，且大載荷50%、70%很快就達到了設備最大量程處，近似可看成靜態拉伸。
因此非硬質材料測試其大載荷條件下的蠕變性能是無意義的。整個蠕變過程可近似看成靜態拉伸，且宏觀上產生了明顯塑性變形或頸縮，材料已經進入到失穩階段，此時產生的變形也是任何結構工件所不能允許的。
再者，大多數客戶需要蠕變數據是CAE仿真分析需要，希望應用到工程設計上使用，因此必須使用標距段的變形量才可應用到CAE仿真分析中。而我們加上標記塊得出的結果如圖2所示。
圖2 某軟質材料的蠕變應變曲線和測試現象圖
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值，而40%載荷條件下亦是先增加后下降然后穩定。結合圖2中樣品和標記塊的狀態圖可以得出，樣條在發生較大變形時，橫截面積減小，標記塊無法有效固定在樣品上發生滑落，失去了監測變形的價值。且載荷在40%時，由于樣條變細，標記塊出現滑動，監測到的蠕變應變結果亦不可靠。
因此，標準范圍外的軟質塑料或非硬質半硬質塑料，測試蠕變性能通常意義不大，很難應用到結構工程設計中。常被用來做橫向對比，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依據。
三、提前確認試樣的穩定性
樣品的穩定性在測試蠕變性能時尤為重要，因為蠕變測試就是會將缺陷效果放大，進而影響到材料整體壽命，而且失效突破點往往是在缺陷處開始然后逐漸擴大，最終導致斷裂。
如對某玻璃纖維增強材料進行25℃和130℃條件的下的蠕變測試，獲得蠕變破斷曲線如圖3所示，從結果中可以看出斷裂具有隨機性，數據點離散程度非常高。存在低載荷的情況斷裂時間比相對高載荷的斷裂時間還要長，且同一個位置連續測試兩次的結果相差亦較大。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合差異，給予的缺陷效果不一樣，反饋到蠕變破斷時間較離散。
圖3 某玻璃纖維增強材料的蠕變破斷時間曲線
因此，樣品的穩定性好，表現出的長期蠕變性能會較穩定，降低了復測的次數，節約了成本和提高了測試效率，避免了異常結果對試驗設計的干擾。
四、選取合適的蠕變測試方向
纖維增強塑料具有各項異性，通常在測試過程中需評估0°、45°、90°方向的力學性能，不同方向的蠕變性能差異較大，且穩定性也不一樣。
如某應用到汽車風扇及護風圈中的纖維增強材料，工作時長期受到一個風阻和外擺力，需要提供三個方向（0°、45°、90°）上的蠕變數據。測試的蠕變曲線（85℃&10MPa&100h）見圖4所示，由圖4可以看出三個方向表現各異，總體表現出0°＞45°＞90°，其實這也是與纖維增強塑料的纖維分布有關，及各方向上的靜態拉伸性能相關。
圖4 某纖維增強材料三個方向的蠕變曲線圖
五、依據材料特性合理選擇蠕變參數
合理的參數選定對蠕變測試起到至關重要的作用，不合適的參數會導致試驗失敗或結果無價值，無法指導工程設計和實況分析。
如圖5所示，某汽車結構件改性塑料，在40℃和100℃溫度條件下進行蠕變試驗，施加載荷1.5kN，測試時間24h。從圖中可以看出40℃條件下發生的變形量較小，而在100℃條件近似可看成一個靜態拉伸。核實該材料100℃條件下的靜態拉伸，發現強度低于1.5kN，因此盲目選取參數致使試驗結果無效。
圖5某汽車結構件改性塑料在40℃和100℃條件下的蠕變曲線
如圖6所示的某發動機周邊材料在60℃和80℃條件下進行的蠕變破斷曲線，數據由客戶提供，要求我們測試出至少一個點斷裂在500h-1000h內，而且客戶認為他們的蠕變破斷曲線的規律為初始應力隨破斷時間的對數成線性關系。
（a）直線擬合
（b）對數擬合
因此依據現有數據進行線性擬合結果見圖6a，依據擬合方程可計算出破斷時間為500h對應的應力（見表1所示），從表中的線性擬合可以看出，60度條件下破斷時間在500h時的施加應力比80度條件還要低，這明顯不符合常理，而按照對數擬合，可看出擬合的效果更好，且預測出的載荷也更符合規律。
表1 某發動機周邊材料蠕變破斷擬合曲線預測結果
因此，參數的設定需依據實際工況、材料特性、一般規律進行合理選擇和設定，不做無用功，不測無用結果，節約資源，提高效率。
來源：Internet
