第六节 蠕变及应力松弛试验

1. 第六节 蠕变及应力松弛试验 • 一条已架设的硬聚氯乙烯管线，随着时间的增加它会弯曲变形；一件经常挂在墙上的雨衣，由于它本身的自重也会使它沿着悬挂方向变形。这些现象都认为是材料的蠕变现象。 • 将一条橡皮拉伸到一定长度并使之固定起来，橡皮同部会产生与所加外力大小相等方向相反的应力（弹力），这种弹力会随着时间的延长而逐渐减小，慢慢地松弛下来，这就是应力松弛。 • 蠕变现象是在恒定应力下形变随时间的发展过程； • 应力松弛是在恒定形变下应力随时间的衰减过程。 • 蠕变和应力松弛现象严重，意味着高聚物制品的尺寸不稳定。

2. （一）概念及原理 • 蠕变现象：在一定温度和远低于该材料断裂强度的恒定外力作用下，材料的形变随时间增加而逐渐增大的现象。 • 外力可以是拉伸、压缩和剪切，相应的应变为伸长率、压缩率和剪切应变，相应的现象称为拉伸蠕变、压缩和剪切蠕变。 • 蠕变现象又可分为蠕变较大的高聚物类（交联或未交联橡胶、热塑性弹性体等） • 蠕变较小的高聚物类（玻璃态或结晶态热塑性塑料或热固性塑料）

3. 一、蠕变试验

4. 蠕变曲线的4个阶段 • AB 段，称为普弹形变，这是分子链内键长与键角的改变所引起的形变，这种形变是瞬时发生的，形变量很小，弹性模量很大，是可逆形变。 • BC 段，称为高弹形变，这是由于分子链构象的改变而引起的形变，这种形变需要一个松弛时间，形变量很大，弹性模量很小，也是可逆形变，同时也进行着猫性流动。 • CD 段，称为黏性流变，这是由于分子链之间产生了相对滑动引起的形变，这种形变是会随时间无限发展的，并且是不可逆形变。 • DE 段，为永久形变，由于黏性流动的不可逆形变造成的。

5. 蠕变的结果表示 • 蠕变应力：试样在加载后单位横截面上所承受的力 • 蠕变应变：试样在承受外力后单位长度的形变 • 蠕变模量：把蠕变应力与蟠变应变之比 • 在规定的温度和湿度下，在规定的时间内导致试验达到规定的形变（应变）或导致试样断裂的应力称为蠕变极限强度，用σt来表示。 • 蠕变断裂时间：从加满载荷时起，直至试样断裂时所经过的时间称为，用τ来表示。

6. （二）塑料的蠕变试验 • 拉伸蠕变试验：对试样施加拉伸载荷，测定试样在拉伸载荷作用下，不同时间所产生的形变。 • 测试标准 GB 11546－1989 • 1．试验设备试验 • 加载荷系统：恒载荷和变载荷装置 • 形变小的材料，采用恒载荷装置； • 形变较大的材料，由于试样的横截面积变化较大，因此其应力变化也大，为了保持其应力恒定，应采用变载荷的加载装置。

7. 平衡祛码装置的滑轮机构加载荷型式

8. 变形测量系统：在加载后，能随着加载时间的增加而自动连续地侧定试样的形变。精度一般要求达到测定形变的士 1 ％。 • 加热系统：温度和湿度的控制装置，采用恒温恒湿箱。能自动连续地记录箱内温度和湿度的装置。 • 夹具：要求保证加载轴线与试样纵向轴线相重合，升高载荷时，试样和夹具不允许有任何位移。 • 计时器，能自动计时系统。 • 千分卡，精度为± 1 ％。

9. 2.试样

10. 3．试验操作 • 测量试样的宽度和厚度，在试样上标明标距； • 夹持试样，使试样纵轴与上、下夹具中心连线相重合，要松紧适宜，以免试样滑脱； • 试样在加载前应预加载，为了消除传动装置的间隙，应保持预加载不影晌测量的精度，若所选择的温度和湿度还未到达平衡时，不应进行预加载，进行预加载后再侧量标距； • 试样应连续加载，每组试验中，每个试样的试验过程应该相同，并做记录，加载过程应在 1～5s 内完成； • 在进行蠕变应变测定时，预加载荷可不计人试验载荷； • 在进行蠕变极限强度测定时，试验载荷应包括预加载荷； • 使施加在试样上的力均匀地分布在试样上，夹具的移动速度为（ 5 ± 1 ) mm / min ； • 在适当的时间间隔记录力值和相应的伸长。

11. 二、应力松弛 • 在恒定形变下，物体的应力随时间而逐渐衰减的现象称为应力松弛。 • 物理松弛对温度不是十分敏感，与应变下分子网络结构的重排，分子链缠结的解脱和重置，以及存在于分子链之间、填充粒子之间、分子链与填充粒子之间的次价键的断裂有关； • 化学松弛对温度却十分敏感，与化学键的断裂有关，断裂可以发生在聚合物分子链，也可以是交联网链。

12. 杠杆式拉伸应力松弛仪

13. 工作原理 • 平衡重锤 1 的重量和位置是固定的，由可移动重锤 2 的位置来调节，通过载荷杆 4 加在试样上的负荷。 • 在初始时间 t0时，快速施加一负荷，即可移动重锤 2 达某一位置，使试样产生一定的形变和初始的应力，且使杠杆支点“ o ”两边的力矩相平衡，此时触点开关 3 为开启状态。 • 随着时间的增长，杠杆逐渐失去了平衡，由于支点“ O ”左侧的力矩变小，而使杠杆向右侧倾斜面落下，使触点开关 3 落下后处于闭合状态。这时驱动马达 5 工作，驱使可移动重锤 2 向力矩减小的方向移动，直至使载荷杆 4 重新达到平衡，触点开关 3 重新开启。 • 随着时间的延长，左侧力矩又继续变小，重复以上过程

14. 应力松弛仪示意图

15. 工作原理 • 利用模量比试样的模量大得多的弹簧片，通过弹簧片的形变来检测高聚物试样被拉伸时的应力松弛。 • 试样置于恒温箱中，并且同弹簧片相连，当试样被拉杆拉长时，弹簧片同时向下弯曲，试样拉伸应变的大小由拉杆调节。 • 拉伸力为弹簧片的弹性力，通过差动变压器或应变电阻测定弹簧片的形变量来确定。 • 当试样发生应力松弛时，弹簧片逐渐回复原状，利用差动变压器或应变电阻侧定弹簧片的回复形变，然后换算成应力，即可测出高聚物试样的应力松弛情况。

16. 三、蠕变和应力松弛试验的影响因素 • （一）温度的影响 • 不同温度下蠕变和应力松弛的速率也不同，温度越高，蠕变和应力松弛速率越大，蠕变值和应力松弛值也越大。 • （二）压力的影响 • 增大压力可以使材料的自由体积减小，降低了分子链段的活动性，即降低了柔量。 • （三）聚合物分子量的影响 • 物理蠕变和物理应力松弛的产生有一部分来自分子链的缠结而产生的黏性和弹性。 • 当这种黏性是蠕变的决定因素时，形变与时间呈线性关系，蠕变速率恒定。 • 黏性与高聚物的分子量有关。当分子量较小时，熔融黏度与分子量成正比；分子量足够大时，熔融黏度与分子量的 3 . 4 ～ 3 . 5 次幕成正比。

17. （四）交联状态的影响 • 随着交联度的提高，蠕变速率明显下降。 • （五）共聚和增塑作用的影响 • 共聚和增塑作用改变了高聚物的玻璃化温度，使蠕变和应力松弛曲线在温度轴方向产生平移。 • 极性高聚物的蠕变和应力松弛曲线受环境湿度的影响很大，因为水起着类似增塑剂的作用，结晶性高聚物由于增塑和共聚作用使熔点和结晶度降低，增加了蠕变和应力松弛。 • （六）结晶化的影响 • 结晶度与温度有很强的依赖关系，所以结晶高聚物的松弛时间谱和推迟时间谱比不定型高聚物宽，结晶度越高，应力松弛曲线越平坦，松弛时间谱越宽。 • （七）聚合物分子结构的影响 • 树脂分子链柔曲性和分子链间作用力大小反映出其蠕变和应力松弛性能，分子链愈柔曲，分子链间作用力愈小，其蠕变和应力松弛就愈明显

18. 第八节 疲劳试验 • 一块塑料片或细铁丝经过多次的弯折后会折断，这就是材料的疲劳过程。 • 所有材料无论是合成的还是天然的都会受到疲劳现象的影响。 • 80 ％～90 ％的设备使用损坏都是由疲劳引起的。

19. 一、概念 • 疲劳试验分为拉压、弯曲、扭转、冲击、组合应力等试验方法 。 • ( l ）疲劳：材料在交变的周期性应力或频繁的重复应力作用下，导致材料的力学性能减弱或破坏的过程称为疲劳。 • 疲劳使材料不能发挥固有的力学性能，在应力远小于静态应力下的强度值时就会破坏，最初在试样上产生微小的疲劳裂纹，裂纹逐渐增大，最终导致完全破坏。 • ( 2 ）应力 S ：物体内某点的平面上所受力的大小称为应力； • 应变ε：由于力的作用而产生的材料尺寸变化与原始尺寸之比称为应变。

20. ( 3 ）最大应力 Smax 或最大应变εmax • 在应力或应变循环中，产生的最大应力或应变。 • ( 4 ）最小应力 Smin 或最小应变εmin • 在应力或应变循环中，产生的 最小应力或应变。 • ( 5 ）疲劳强度 SN：由 S 一 N 曲线推算出的，在 N 次循环时材料疲劳破坏的应力值，临界的应力，不致引起材料疲劳破坏的最高极限应力。 • ( 6 ）疲劳应变εN：由ε－ N 曲线推算出的，在 N 次循环时材料疲劳破坏的应变值。

21. （ 7 ）疲劳破坏：一般认为当试样在破坏试验中断裂为两部分时，是疲劳破坏。 • 某些材料当裂纹出现后，裂纹发展很慢，到完全断裂，还需要很多的循环次数。为此，就人为地定义为材料的刚度下降到规定的值时称为疲劳破坏。 • ( 8 ）疲劳极限 sf或εf： 指试样在疲劳试验中经过无数次（一般规定 N 为 107次）循环而不破坏的最大应力值或应变值。 • 高聚物的疲劳极限一般是拉伸强度的 20 % ～ 35 ％。 • ( 9 ）疲劳寿命在规定循环应力或应变下，试样疲劳破坏所经受的应力或应变循环次数。

22. 二、塑料的疲劳试验 • 在动态应力作用下，塑料产生疲劳的根本原因： • 由于塑料具有黏弹性，在交变的应力作用下，分子链变形总是滞后于应力，产生内摩擦生成大量热，导热不良又使热量积累导致材料升温，引起材料局部软化、熔融等，试样的内部缺陷、内部缩孔、表面划伤、缺口、粗糙等都易导致疲劳破坏。 • 塑料疲劳试验标准方法，参照 ASTM D671 － 71 恒定力振幅法测定塑料弯曲疲劳的标准 • 试验机理见图 6 － 27 。

24. （二）试验设备结构与原理 • 主要有机架、固定夹具、弹簧板、千分表、弹簧、皮带轮轴、偏心锤、计数器（记录循环次数）等；控制部件、温度计（测量疲劳试验过程中试样的温度）。 • 测试原理：把试样的一端用固定夹具将其夹紧，另一端固定在负荷夹具上，通过它使试样弯曲。 • 马达带动皮带轮轴与可变的旋转偏心重锤联结，由这个偏心重锤系统产生出循环的振幅恒定的应力，通过负荷夹具，施加在试样上。 • 所施加力的大小，由测定弹簧形变的千分表来测定。