1、第六節(jié) 蠕變及應力松弛試驗,一條已架設的硬聚氯乙烯管線，隨著時間的增加它會彎曲變形；一件經(jīng)常掛在墻上的雨衣，由于它本身的自重也會使它沿著懸掛方向變形。這些現(xiàn)象都認為是材料的蠕變現(xiàn)象。 將一條橡皮拉伸到一定長度并使之固定起來，橡皮同部會產(chǎn)生與所加外力大小相等方向相反的應力（彈力），這種彈力會隨著時間的延長而逐漸減小，慢慢地松弛下來，這就是應力松弛。 蠕變現(xiàn)象是在恒定應力下形變隨時間的發(fā)展過程； 應力松弛是在恒定形變下應力隨時間的衰減過程。 蠕變和應力松弛現(xiàn)象嚴重，意味著高聚物制品的尺寸不穩(wěn)定。,（一）概念及原理,蠕變現(xiàn)象：在一定溫度和遠低于該材料斷裂強度的恒定外力作用下，材料的形變隨時間增加而逐

2、漸增大的現(xiàn)象。 外力可以是拉伸、壓縮和剪切，相應的應變?yōu)樯扉L率、壓縮率和剪切應變，相應的現(xiàn)象稱為拉伸蠕變、壓縮和剪切蠕變。 蠕變現(xiàn)象又可分為蠕變較大的高聚物類（交聯(lián)或未交聯(lián)橡膠、熱塑性彈性體等） 蠕變較小的高聚物類（玻璃態(tài)或結晶態(tài)熱塑性塑料或熱固性塑料）,一、蠕變試驗,蠕變曲線的4個階段,AB 段，稱為普彈形變，這是分子鏈內鍵長與鍵角的改變所引起的形變，這種形變是瞬時發(fā)生的，形變量很小，彈性模量很大，是可逆形變。 BC 段，稱為高彈形變，這是由于分子鏈構象的改變而引起的形變，這種形變需要一個松弛時間，形變量很大，彈性模量很小，也是可逆形變，同時也進行著貓性流動。 CD 段，稱為黏性流變，這是由

3、于分子鏈之間產(chǎn)生了相對滑動引起的形變，這種形變是會隨時間無限發(fā)展的，并且是不可逆形變。 DE 段，為永久形變，由于黏性流動的不可逆形變造成的。,蠕變的結果表示,蠕變應力：試樣在加載后單位橫截面上所承受的力 蠕變應變：試樣在承受外力后單位長度的形變 蠕變模量：把蠕變應力與蟠變應變之比 在規(guī)定的溫度和濕度下，在規(guī)定的時間內導致試驗達到規(guī)定的形變（應變）或導致試樣斷裂的應力稱為蠕變極限強度，用t來表示。 蠕變斷裂時間：從加滿載荷時起，直至試樣斷裂時所經(jīng)過的時間稱為，用來表示。,（二）塑料的蠕變試驗,拉伸蠕變試驗：對試樣施加拉伸載荷，測定試樣在拉伸載荷作用下，不同時間所產(chǎn)生的形變。 測試標準 GB 1

4、15461989 1試驗設備試驗 加載荷系統(tǒng)：恒載荷和變載荷裝置 形變小的材料，采用恒載荷裝置； 形變較大的材料，由于試樣的橫截面積變化較大，因此其應力變化也大，為了保持其應力恒定，應采用變載荷的加載裝置。,平衡祛碼裝置的滑輪機構加載荷型式,變形測量系統(tǒng)：在加載后，能隨著加載時間的增加而自動連續(xù)地側定試樣的形變。精度一般要求達到測定形變的士 1 。 加熱系統(tǒng)：溫度和濕度的控制裝置，采用恒溫恒濕箱。能自動連續(xù)地記錄箱內溫度和濕度的裝置。 夾具：要求保證加載軸線與試樣縱向軸線相重合，升高載荷時，試樣和夾具不允許有任何位移。 計時器，能自動計時系統(tǒng)。 千分卡，精度為 1 。,2.試樣,3試驗操作,測

5、量試樣的寬度和厚度，在試樣上標明標距； 夾持試樣，使試樣縱軸與上、下夾具中心連線相重合，要松緊適宜，以免試樣滑脫； 試樣在加載前應預加載，為了消除傳動裝置的間隙，應保持預加載不影晌測量的精度，若所選擇的溫度和濕度還未到達平衡時，不應進行預加載，進行預加載后再側量標距； 試樣應連續(xù)加載，每組試驗中，每個試樣的試驗過程應該相同，并做記錄，加載過程應在 15s 內完成； 在進行蠕變應變測定時，預加載荷可不計人試驗載荷； 在進行蠕變極限強度測定時，試驗載荷應包括預加載荷； 使施加在試樣上的力均勻地分布在試樣上，夾具的移動速度為（ 5 1 ) mm / min ； 在適當?shù)臅r間間隔記錄力值和相應的伸長。

6、,二、應力松弛,在恒定形變下，物體的應力隨時間而逐漸衰減的現(xiàn)象稱為應力松弛。 物理松弛對溫度不是十分敏感，與應變下分子網(wǎng)絡結構的重排，分子鏈纏結的解脫和重置，以及存在于分子鏈之間、填充粒子之間、分子鏈與填充粒子之間的次價鍵的斷裂有關； 化學松弛對溫度卻十分敏感，與化學鍵的斷裂有關，斷裂可以發(fā)生在聚合物分子鏈，也可以是交聯(lián)網(wǎng)鏈。,杠桿式拉伸應力松弛儀,工作原理,平衡重錘 1 的重量和位置是固定的，由可移動重錘 2 的位置來調節(jié)，通過載荷桿 4 加在試樣上的負荷。 在初始時間 t0 時，快速施加一負荷，即可移動重錘 2 達某一位置，使試樣產(chǎn)生一定的形變和初始的應力，且使杠桿支點“ o ”兩邊的力矩

7、相平衡，此時觸點開關 3 為開啟狀態(tài)。 隨著時間的增長，杠桿逐漸失去了平衡，由于支點“ O ”左側的力矩變小，而使杠桿向右側傾斜面落下，使觸點開關 3 落下后處于閉合狀態(tài)。這時驅動馬達 5 工作，驅使可移動重錘 2 向力矩減小的方向移動，直至使載荷桿 4 重新達到平衡，觸點開關 3 重新開啟。 隨著時間的延長，左側力矩又繼續(xù)變小，重復以上過程,應力松弛儀示意圖,工作原理,利用模量比試樣的模量大得多的彈簧片，通過彈簧片的形變來檢測高聚物試樣被拉伸時的應力松弛。 試樣置于恒溫箱中，并且同彈簧片相連，當試樣被拉桿拉長時，彈簧片同時向下彎曲，試樣拉伸應變的大小由拉桿調節(jié)。 拉伸力為彈簧片的彈性力，通過

8、差動變壓器或應變電阻測定彈簧片的形變量來確定。 當試樣發(fā)生應力松弛時，彈簧片逐漸回復原狀，利用差動變壓器或應變電阻側定彈簧片的回復形變，然后換算成應力，即可測出高聚物試樣的應力松弛情況。,三、蠕變和應力松弛試驗的影響因素,（一）溫度的影響 不同溫度下蠕變和應力松弛的速率也不同，溫度越高，蠕變和應力松弛速率越大，蠕變值和應力松弛值也越大。 （二）壓力的影響 增大壓力可以使材料的自由體積減小，降低了分子鏈段的活動性，即降低了柔量。 （三）聚合物分子量的影響 物理蠕變和物理應力松弛的產(chǎn)生有一部分來自分子鏈的纏結而產(chǎn)生的黏性和彈性。 當這種黏性是蠕變的決定因素時，形變與時間呈線性關系，蠕變速率恒定。

9、黏性與高聚物的分子量有關。當分子量較小時，熔融黏度與分子量成正比；分子量足夠大時，熔融黏度與分子量的 3 . 4 3 . 5 次幕成正比。,（四）交聯(lián)狀態(tài)的影響 隨著交聯(lián)度的提高，蠕變速率明顯下降。 （五）共聚和增塑作用的影響 共聚和增塑作用改變了高聚物的玻璃化溫度，使蠕變和應力松弛曲線在溫度軸方向產(chǎn)生平移。 極性高聚物的蠕變和應力松弛曲線受環(huán)境濕度的影響很大，因為水起著類似增塑劑的作用，結晶性高聚物由于增塑和共聚作用使熔點和結晶度降低，增加了蠕變和應力松弛。 （六）結晶化的影響 結晶度與溫度有很強的依賴關系，所以結晶高聚物的松弛時間譜和推遲時間譜比不定型高聚物寬，結晶度越高，應力松弛曲線越平

10、坦，松弛時間譜越寬。 （七）聚合物分子結構的影響 樹脂分子鏈柔曲性和分子鏈間作用力大小反映出其蠕變和應力松弛性能，分子鏈愈柔曲，分子鏈間作用力愈小，其蠕變和應力松弛就愈明顯,第八節(jié) 疲勞試驗,一塊塑料片或細鐵絲經(jīng)過多次的彎折后會折斷，這就是材料的疲勞過程。 所有材料無論是合成的還是天然的都會受到疲勞現(xiàn)象的影響。 80 90 的設備使用損壞都是由疲勞引起的。,一、概念,疲勞試驗分為拉壓、彎曲、扭轉、沖擊、組合應力等試驗方法 。 ( l ）疲勞：材料在交變的周期性應力或頻繁的重復應力作用下，導致材料的力學性能減弱或破壞的過程稱為疲勞。 疲勞使材料不能發(fā)揮固有的力學性能，在應力遠小于靜態(tài)應力下的強度

11、值時就會破壞，最初在試樣上產(chǎn)生微小的疲勞裂紋，裂紋逐漸增大，最終導致完全破壞。 ( 2 ）應力 S ：物體內某點的平面上所受力的大小稱為應力； 應變：由于力的作用而產(chǎn)生的材料尺寸變化與原始尺寸之比稱為應變。,( 3 ）最大應力 Smax 或最大應變max 在應力或應變循環(huán)中，產(chǎn)生的最大應力或應變。 ( 4 ）最小應力 Smin 或最小應變min 在應力或應變循環(huán)中，產(chǎn)生的 最小應力或應變。 ( 5 ）疲勞強度 SN ：由 S 一 N 曲線推算出的，在 N 次循環(huán)時材料疲勞破壞的應力值，臨界的應力，不致引起材料疲勞破壞的最高極限應力。 ( 6 ）疲勞應變N：由 N 曲線推算出的，在 N 次循環(huán)時

12、材料疲勞破壞的應變值。,（ 7 ）疲勞破壞：一般認為當試樣在破壞試驗中斷裂為兩部分時，是疲勞破壞。 某些材料當裂紋出現(xiàn)后，裂紋發(fā)展很慢，到完全斷裂，還需要很多的循環(huán)次數(shù)。為此，就人為地定義為材料的剛度下降到規(guī)定的值時稱為疲勞破壞。 ( 8 ）疲勞極限 sf 或f： 指試樣在疲勞試驗中經(jīng)過無數(shù)次（一般規(guī)定 N 為 107 次）循環(huán)而不破壞的最大應力值或應變值。 高聚物的疲勞極限一般是拉伸強度的 20 % 35 。 ( 9 ）疲勞壽命在規(guī)定循環(huán)應力或應變下，試樣疲勞破壞所經(jīng)受的應力或應變循環(huán)次數(shù)。,二、塑料的疲勞試驗,在動態(tài)應力作用下，塑料產(chǎn)生疲勞的根本原因： 由于塑料具有黏彈性，在交變的應力作用下，分子鏈變形總是滯后于應力，產(chǎn)生內摩擦生成大量熱，導熱不良又使熱量積累導致材料升溫，引起材料局部軟化、熔融等，試樣的內部缺陷、內部縮孔、表面劃傷、缺口、粗糙等都易導致疲勞破壞。 塑料疲勞試驗標準方法，參照 ASTM D671 71 恒定力振幅法測定塑料彎曲疲勞的標準 試驗機理見圖 6 27 。,（二）試驗設備結構與原理