1 高分子材料分析与性能测试

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 高分子材料分析与性能测试

（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）

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一、蠕变试验

4 高分子材料分析与性能测试

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。

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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）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。

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平衡祛码装置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 ％。

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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。

11 高分子材料分析与性能测试

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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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

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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。

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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。

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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

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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。

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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 。

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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。