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塑料的蠕变

对给定的材料,在原料组分中添加刚性填料或增强纤维或改变材料内在的物理结构使其具有刚性,都有助于降低材料的蠕变速率和提高材料的蠕变极限。然而,对产品设计师来说,关键还是要取得实用的蠕变数据。由于通常试验很难和实际情况吻合,因此最好比照实际条件进行蠕变实验,得到使用条件下的蠕变参数,如果无法进行长期试验,则用塑料的蠕变速率和初期模量值进行工程计算,以估若干年后注塑加工件的蠕变情况和模量衰减率。在估算长期蠕变情况下时,我们也不应忽略温度变化对蠕变的影响,这一点也应有充分的预计。
 
蠕变过程可在数小时至上万小时,时间长短取决于工作载荷大小和工作环境。对设计师来说,设计塑料部件时,应将其有效寿命控制在这一阶段。蠕变发展到最后,是一个破坏过程,即材料发生蠕变断裂或屈服。在恒定的温度和载荷作用下,显示变形与时间关系的曲线称为蠕变曲线。
 
如果确定一个时间,作出各种塑料材料的等时应力-应变曲线,并汇集于同一坐标系统,就容易比较出各种材料的蠕变性质。塑料类型不同,蠕变行为明显不同。这种差异归因于不同类型的聚合物,在外力作用下,链段大分子热运动取向和重排表现出了不同的结果。通常,在应力-应变曲线上表现刚硬的塑料耐蠕变性好。
 
 
通常表征材料蠕变行为的蠕变曲线由一组不同载荷下的时间-形变曲线组成。在同一温度下,载荷对蠕变行为影响很大,高应力下蠕变时间短,材料较快由蠕变发展到断裂应变值。低应力下蠕变时间长。载荷减小到一定程度后,则蠕变速率接近于零,如变量长期维持在一恒定值,也即材料不会出现蠕变破坏,这种不出现蠕变破坏的最大应力成为蠕变极限。
 
在塑料零部件设计中,寿命设计是一项重要内容,因为塑料的强度和刚度都与时间有关。为了得到设计上用的断裂强度和模量,可以依据供应商的应力-时间蠕变曲线和模量-时间蠕变曲线进行工程计算。采用单对数坐标或双对数坐标,可以将曲线变为直线。这样,当使用寿命很长时,由于实测数据大多不足,可以将数据进行外推。
 
在工程上,有时适当的蠕变应变量是许可的,只要对特定的材料在特定的工作条件下的蠕变规律有所预期,即知道在所需的工作寿命期间不会发生破坏,或者不会因持续的蠕变而影响使用。注塑加工制件蠕变是一个缓慢而长期的形变发展过程。蠕变的初始阶段,速率较大,但又不稳定的逐渐减少速率,这一过程通常最长不超过数小时。随之而来的蠕变渐趋稳定,蠕变速率几乎保持在某一定值。
 
若外推过大则得到的数据可靠性降低,所以只限外推一位数,也就是说,100h的蠕变不应外推超过1000h,1000h蠕变外推不应超过10000h。这样,使用所求出的使用寿命点上的蠕变强度和蠕变模量,即可由相应公式求出制品在已知负荷及使用寿命情况下应有的尺寸。根据等时应力-应变曲线,我们可以求出在预期使用寿命之内,在确定的应力作用下,材料的应变值或者子啊允许形变值范围内最大的许用应力。
 
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