第六节 蠕变及应力松弛试验

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杠杆式拉伸应力松弛仪
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工作原理
• 平衡重锤 1 的重量和位臵是固定的，由可移动重锤 2 的 位臵来调节，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 某一位臵，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
• 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。 高分子材料分析与性能测试
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应力松弛仪示意图
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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。 • 试样臵于恒温箱中，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。
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。
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平衡祛码装臵的滑轮机构加载荷型式
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• 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臵，采用恒温恒湿箱。 能自动连续地记录箱内温度和湿度的装臵。 • 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。
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• （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 高分子材料分析与性能测试
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• ( 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。
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• （ 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。
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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 。
• 千分卡，精度为± 1 ％。
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2.试样
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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。
• 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。
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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。
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（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。
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。
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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。
• 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）
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一、蠕变试验
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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。
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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。
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（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）
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（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：恒载荷和变载荷装臵
• 形变小的材料，采用恒载荷装臵； • 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 变载荷的加载装臵。