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参考新标准,纤维增强塑料如何检测蠕变性能?_拜恩检测-专业第三方检测机构

发表时间:2022-05-16   来源:

 

蠕变性能属于机械力学性能检测项目。在我国的国民经济及国防军工领域,纤维增强塑料属于应用范围最广,规模最大的新材料之一,在我国各个产业中,发挥着极其重要的作用。由纤维增强塑料制成的产品或构件在长期的使用过程中,可能会产生一定的蠕变现象,特别是处于长期的恒定应力或较高温度下,塑料受到的蠕变量会随时间的增长而增加。

蠕变量的长期积累的后果之一,就是导致纤维增强塑料产品或其构件的性能显著降低或结构破坏,进而大大降低纤维增强塑料及其构件的使用寿命。蠕变性能就是通过不同的蠕变试验方法来确定纤维增强塑料的拉伸、压缩、弯曲蠕变和断裂蠕变性能,获得材料在相应测试环境下的失效时间,以此来评估材料的长期使用性能。

纤维增强塑料产品

 

一、需求背景

由于蠕变性能是表征纤维增强塑料长期使用性能的一个重要指标,而长期使用性能的好坏将直接影响到塑料设备的使用及操作人员的安全等问题。此外蠕变性能也是纤维增强塑料产品研发时,需要研究其破坏和结构失效的重要因素。上海某橡塑科技公司为使旗下的一款纤维增强塑料产品达到在长期受载或高温状态下不发生破坏,同时满足其使用的要求,因此需要对纤维增强塑料的蠕变性能进行测定。

产品蠕变变形

 

二、需求简述

由于国家标准《GB/T 41061-2021 纤维增强塑料蠕变性能试验方法》已经发布,虽然尚未实施,不过该公司依然要求我们依据该标准制定检测方案。GB/T 41061-2021 参考的是美标ASTM D2990-2009《塑料 拉伸、 压缩、 弯曲蠕变和断裂蠕变的标准测试方法》部分方法,虽然并不是等效制定,但还是借鉴了该标准中很多纤维增强塑料的拉伸、 压缩、 弯曲蠕变和断裂蠕变的测试方法。

 

三、确定试验装置

本次试验装置的确定主要参考GB/T1446-2005和ASTMD2990-2009中对试验装置的要求而定,其中,拉伸蠕变的测定还需满足GB/T1447-2005中对试验装置的要求。压缩蠕变试验装置中由于需要随无约束试样施加载荷,因此压板应使用平行压板且具备可调整上下压板平行度的球形支座,使得载荷均匀加载以及试样精确对中,从而总载荷能够通过试样中心;弯曲蠕变性能的测定还需满足GB/T1449-2005中对试验装置的要求,一般情况可采用三点弯曲的试验装置,必要时也可采用四点弯曲。

 

四、确定测量装置

我们在选定伸长性能、压缩以及挠度测量装置,伸长量的测量方法,我们推荐采用在试样上直接测量而不是测量夹具间距,试样在跨距中点的挠度值可通过千分表或高差计来测量,变形测量仪表的精确度应为测量变形量的±1%。由于变形测量仪的校准取决于温度和湿度,因此要在尽可能接近测试环境条件下进行校准。时间测量装置的精度应为每个蠕变测试的断裂时间、破坏时间或运行时间的其中一个的±1%,或由以上多个时间来确定。由于在测试过程中由较小温度波动引起的热收缩和热膨胀可能引起表观蠕变速率的变化,因此在测试过程中需保证在试样标距长度内温度的精确测量且温度测量装置需定期校准。

 

由于试验材料的蠕变性能在测试过程中可能受到湿度的影响,因此要保证相对湿度在整个测试过程中的波动控制在±5%以内,且控制和测量装置应有良好的长期稳定性,控制精度达到±1%。同时在测试过程中要保持测试环境恒定。此外还需要注意的就是由于蠕变测试对冲击和振动非常敏感,因此设备的位置和安装都应避免试样的振动。

 

 

五、样品形状和尺寸确定

试样的形状和尺寸样是决定试验结果的重要的参数,因此对不同类型蠕变的试样形状、尺寸以及尺寸的测量进行了确定。其中,对于拉伸蠕变测试的试样可参照GB/T1447-2005中规定的Ⅰ型和Ⅱ型试样;对于压缩蠕变测试的试样参照可GB/T1448-2005中的规定;对于弯曲蠕变测试得试样参照可GB/T1449-2005中矩形棒的规定。

为了保证数据的有效性以及可对比性,我们在用板材制作试样时应沿一个方向进行剪裁,当然如果材料是各向异性,应沿着板材两个主方向分别剪裁一组试样。特别要注意的是,由于试验必须保持准确性和严谨性,当已知材料尺寸会在指定环境下发生明显改变,应在试样空载时沿着试样做一些针对非蠕变的尺寸改变的补偿措施,每个测试温度下至少测试3个试样。在单一温度下进行蠕变测试时,试样在每个应力水平下的最少数目应符合以下要求:不少于4个应力水平时为2个,少于4个应力水平时为3个。

 

六、确定测试温度

纤维增强树脂基复合材料蠕变对应力和温度的响应类似于高聚物对应力和温度的响应,蠕变应变随应力级和温度的升高而增大,因此温度是在蠕变性能测试中的一个重要参数,蠕变和断裂蠕变的测试温度的选择取决于测试结果应用,这主要分为测试材料性能、获得设计参数以及获得1%应变在1000h时的应力或与其他简单材料进行类似数据比较,依此来分别进行了温度选取的确定。确定方案如下:

 

测试材料性能时,一般在常用的温度范围内至少选取2个测试温度,通常选择高温条件,以合适的升温梯度来反应材料随着温度变化时的蠕变特性。为获得设计参数时,测试温度及环境应与实际产品的最终应用环境相同。为了获得在1000h时产生1%应变所受的应力或与其他材料进行比对时,测试温度应在23℃、50℃、70℃、90℃、120℃和155℃中选择。

七、确定应力水平

确定应力水平可以为获得设计试验参数或描述材料性能进行重要描述。当应力水平较低时,蠕变应变随时间延长变化缓慢,呈现为蠕变速率减速段和恒速段;当应力水平较高时,蠕变应变随时间变化加快,曲线可能经历减速段、恒速段,最终进入增速段甚至发生破坏。因此,对表现为线性粘弹性的材料,由于在不同应力下连续蠕变模量随时间会相互叠加,因此在每个温度下应至少选择3个应力水平;对一些明显受应力影响的材料,在每个温度下应至少选择5个应力水平;应当以相同的增量选择应力水平,以保证数据的可靠性;当在蠕变测试中产生破坏的时间少于1000h时,不采用应力水平;在为了进行简单材料类比时,应测试在1000h时产生1%应变所受的应力。蠕变断裂测试时,每个测试温度下至少选择7个应力水平,以使得在下述时间点附近产生破坏:1h、10h、30h、100h、300h、1000h、3000h。

蠕变试验装置

 

最终试验方案确定

1.将试样编号、划线,测量试样工作段或跨中任意三点的宽度和厚度,取算术平均值。

2.将试样安装到拉伸蠕变夹具、压缩蠕变夹具或弯曲蠕变试验装置中。如果需要,按照相同方式,在测试试样旁边安装对比试样。

3.在试样(以及对比试样)上安装变形测试装置。

4.选择测试温度和应力水平,计算初始应力。

5.对试样迅速平稳加载至试验载荷,加载过程建议在1s-5s内完成。同种材料的一系列试验应使用相同的加载速度。在加载至试验载荷时开始计时。

6.测量试样(及对比试样)的伸长量、压缩量或挠曲量,若变形量测量不是自动和连续记录的,则按下列时间间隔测量应变:1min、6min、12min、30min;1h、2h、5h、20h、50h、100h、200h、500h、700h和1000h等。如果蠕变应变曲线随时间不连续或呈间断式,则变形量的读取应比上述时间安排更频繁。

7.测量并记录试样表面温度、试验环境温度及湿度,若温湿度测量不是自动记录的,则应在测量变形量时记录。

进行在1000h时产生1%应变所受的应力测试时,测量至少3个应力下1000h产生的应变,进而描绘出一个1000h的等时应力-应变曲线,通过插值法获得产生1%应变的应力值。

8.进行蠕变断裂测试时,测量材料的断裂时间;对于明显在断裂前存在屈服特征的材料,断裂时间为上述屈服特征的起始时间。需要主义的是:在进行蠕变断裂测试时,建议采用拉伸法,因为对于一些塑性纤维增强塑料在弯曲或压缩模式下不发生断裂。

 

目前,纤维增强塑料的蠕变性能已成为工程实际应用和纤维增强塑料构件安全的一个主要指标。常规的力学性能检测并不能很好地评价纤维增强塑料的长期使用性能,这就需要我们针对纤维增强塑料在温度、应力和时间的综合影响下表现出的蠕变性能进行测定,从而以此来对纤维增强塑料的长期使用性能进行评价。该橡塑科技公司通过我们试验方案获得的数据,很直观的就了解了该纤维增强塑料产品的蠕变性能。有关纤维增强塑料的蠕变试验,大家还有哪些相关疑问?欢迎留言讨论。

 

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