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塑料的蠕變

對給定的材料,在原料組分中添加剛性填料或增強纖維或改變材料內在的物理結構使其具有剛性,都有助于降低材料的蠕變速率和提高材料的蠕變極限。然而,對產品設計師來說,關鍵還是要取得實用的蠕變數據。由于通常試驗很難和實際情況吻合,因此最好比照實際條件進行蠕變實驗,得到使用條件下的蠕變參數,如果無法進行長期試驗,則用塑料的蠕變速率和初期模量值進行工程計算,以估若干年后注塑加工件的蠕變情況和模量衰減率。在估算長期蠕變情況下時,我們也不應忽略溫度變化對蠕變的影響,這一點也應有充分的預計。
 
蠕變過程可在數小時至上萬小時,時間長短取決于工作載荷大小和工作環境。對設計師來說,設計塑料部件時,應將其有效壽命控制在這一階段。蠕變發展到最后,是一個破壞過程,即材料發生蠕變斷裂或屈服。在恒定的溫度和載荷作用下,顯示變形與時間關系的曲線稱為蠕變曲線。
 
如果確定一個時間,作出各種塑料材料的等時應力-應變曲線,并匯集于同一坐標系統,就容易比較出各種材料的蠕變性質。塑料類型不同,蠕變行為明顯不同。這種差異歸因于不同類型的聚合物,在外力作用下,鏈段大分子熱運動取向和重排表現出了不同的結果。通常,在應力-應變曲線上表現剛硬的塑料耐蠕變性好。
 
 
通常表征材料蠕變行為的蠕變曲線由一組不同載荷下的時間-形變曲線組成。在同一溫度下,載荷對蠕變行為影響很大,高應力下蠕變時間短,材料較快由蠕變發展到斷裂應變值。低應力下蠕變時間長。載荷減小到一定程度后,則蠕變速率接近于零,如變量長期維持在一恒定值,也即材料不會出現蠕變破壞,這種不出現蠕變破壞的最大應力成為蠕變極限。
 
在塑料零部件設計中,壽命設計是一項重要內容,因為塑料的強度和剛度都與時間有關。為了得到設計上用的斷裂強度和模量,可以依據供應商的應力-時間蠕變曲線和模量-時間蠕變曲線進行工程計算。采用單對數坐標或雙對數坐標,可以將曲線變為直線。這樣,當使用壽命很長時,由于實測數據大多不足,可以將數據進行外推。
 
在工程上,有時適當的蠕變應變量是許可的,只要對特定的材料在特定的工作條件下的蠕變規律有所預期,即知道在所需的工作壽命期間不會發生破壞,或者不會因持續的蠕變而影響使用。注塑加工制件蠕變是一個緩慢而長期的形變發展過程。蠕變的初始階段,速率較大,但又不穩定的逐漸減少速率,這一過程通常最長不超過數小時。隨之而來的蠕變漸趨穩定,蠕變速率幾乎保持在某一定值。
 
若外推過大則得到的數據可靠性降低,所以只限外推一位數,也就是說,100h的蠕變不應外推超過1000h,1000h蠕變外推不應超過10000h。這樣,使用所求出的使用壽命點上的蠕變強度和蠕變模量,即可由相應公式求出制品在已知負荷及使用壽命情況下應有的尺寸。根據等時應力-應變曲線,我們可以求出在預期使用壽命之內,在確定的應力作用下,材料的應變值或者子啊允許形變值范圍內最大的許用應力。
 
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