拉伸蠕变实验-高分子材料性能测试-高分子材料加工工程专业实验教程
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拉伸蠕变实验-高分子材料性能测试-高分子材料加工工程专业实验教程
3.1.1 拉伸蠕变实验
一、实验目的
1. 了解硬质高分子材料拉伸蠕变现象及测定原理；
2. 掌握拉伸蠕变实验方法和影响材料耐蠕变性能的因素。
二、实验原理
高分子材料是典型的粘弹性的材料。在应力作用下，材料应变会随时间而变化，这种现 象称为蠕变。拉伸蠕变实验是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 所产生的应变。通过绘制应变-时间图，再根据应变-时间图画出试样材料的等时或等应变蠕 变图，将各种材料的等时或等应变蠕变图放在一起比较，就能清楚地了解材料的拉伸蠕变特 性。测定材料耐蠕变性能对分析材料性能、进行零件设计、了解材料在恒定载荷下的长期特 性和制订生产加工工艺条件有重要的作用。
以下对实验中的相关量做简要介绍。
（1） 应变
应变是指在应力作用下，产生的尺寸变化与原始尺寸之比。应变可由下式求得：
Dl
s =
l0
式中e ——应变；
Dl = l - l0，mm；
l ——实验过程中任何给定时刻的标距，mm；
l0 ——未加应力前的初始标距，mm。
应变也可以用下列方程的百分数表示
s = Dl ´100
l0
（1）
（2）
（2） 初始应力
初始应力为试样加载后，单位横截面上所承受的力。它可用下式表示：
F
o =
A0
式中s——初始应力，MPa；
（3）
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F——载荷，N；
A0——试样的初始横截面积，mm2。
（3） 恢复应变
恢复应变指试样完全卸载后，任何给定时刻应变的减小。它可用下式表示：
s = Dlr ´100
rl
（4）
t
式中er——恢复应变，%；
Dlr——完全卸载后任何给定时刻标距的减小，mm；
lt——除去应力瞬间试样的标长，mm。
（4） 蠕变应变
蠕变实验时，任何给定时刻由作用应力产生的应变。
（5） 蠕变模量
蠕变模量为初始应力对蠕变应变的比。它可由下式求得：
o
Ect = s
（5）
t
式中Ect——蠕变模量，MPa；
et——在时刻t 时的蠕变应变。
（6） 破断时间
试样从完成加载瞬间到试样破断时刻所经历的时间。
（7） 蠕变强度极限
蠕变强度极限是指在给定温度和相对湿度下，导致破断所需的初始应力（sB,t）或持续
某一特定时间达到某一特定应变所需的初始应力（se,t）。
应正确地区分瞬时应变和蠕变应变（瞬时应变+蠕变应变=总的应变）以及区分瞬时恢 复和蠕变恢复（瞬时恢复+蠕变恢复=总恢复）。要求瞬时应变用eo 表示，在加载后较短的时间间隔，如 1min，所引起的应变值作为瞬时应变。
三、实验试样
试样应符合 GB1039 和 GB1040 对拉伸试样的规定，但也允许有特殊要求。比较实验时，
若不能使用相同尺寸的试样，则要求保持试样几何形状的相似性。
试样尺寸在标距内至少测量三点，宽度精确至 0.05mm，厚度精确至 0.01mm。计算应变时，试样的横截面积应是在三点测得横截面的平均值；计算蠕变强度极限时，应使用三点 测得的最小横截面积。在标距内横截面积的偏差不应超过±2%。
从板材制备试样应在一个方向切割。如是各向异性材料时，应在两个主方向上分别切割
一组试样，并在实验报告中注明。
每一应力水平的试样至少为 2 个。
本次实验试样是用多功能用途模具注塑成型的高密度聚乙烯（ HDPE ， MFR=1 ～ 5g/10min）拉伸试样。
四、实验设备
（1） 拉伸实验机任何满足下列要求的蠕变实验机均可使用。
（2） 夹具设计和使用夹具时，应保证加载轴线尽可能地与试样纵向轴线相重合。夹具允 许在安装试样后对中，以免受偏心载荷。
增加载荷时，试样和夹具不允许有任何位移，自锁夹具不适合于本实验。
（3） 加载系统加载系统应保证所加载荷长期恒定，示值的误差应在±1%之内。加载历 程应允许快速加载、缓慢加载和反复加载。蠕变破断实验时应该防止破断时发生震动。
（4） 应变测量装置
任何接触式和非接触式的应变测量装置均可用于本实验，但必须满足下列要求：
1） 接触式应变测量装置应对试样没有力学影响（不合适的缺陷、缺口等）；没有物理影响（ 加热试样等）；没有化学作用等。
2） 非接触式光学应变测量装置的光轴线应与试样的纵轴相垂直。任何伸长测量装置的精度
应为测量总伸长的±1%。在试样上应作出标距的标记，可用适当的金属夹卡作标记，也可
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用惰性的和热稳定的油漆作标记。试样工作段对标距之比应大 5/6。只有实验的材料允许使用某中应变片的胶粘剂时，以及蠕变持久性短时，电阻应变片才能适用。
3） 计时器任何计时器都可适用，自动计时系统更为适用。蠕变时间的测量，其精度应在
±1%以内。
4） 千分卡千分卡的精度为±0.01mm。
五、实验步骤
（1） 选择应力水平为了获得设计数据或表示材料的特性，应按下列方法选择应力水平：
1） 对线性粘弹性区域大的材料，至少选择三个应力水平。
2） 对线性粘弹性区域小的材料，至少选择五个应力水平。
3） 测定蠕变强度极限（sB,t，se,t）时，所选择的载荷应在材料的短期拉伸强度的 10%~90% 的范围内。考虑了上述条件，可根据下列数列选择载荷：1，2，3，5，7.5，10，以后按十 进制递增。
4） 产生破坏的时间小于 1000h 的应力水平不能用于蠕变实验。
5） 仅用于材料比较时，应该测定 1000h 产生 1%应变的应力。
（2） 试样状态调节 按 GB2918 规定进行状态调节。
（3） 安装试样
（4） 预加载 试样在加载前必须预加载时，如为了消除传动装置的间隙，应保证预加载不影响测量的精度。装夹好试样后，所选择的温度和相对湿度还未达到平衡时，不应进行预加 载。进行预加载后再测量标距。
（5） 加载 试样应连续加载。每组实验中，每个试样的实验过程应该相同，并做记录。加载过程应在 1~5s 内完成，在任何情况下不应超过 10s。在进行蠕变应变测定时，预加载荷可不计入实验载荷。在蠕变破断实验（蠕变强度极限）时，实验载荷应包括预加载荷。
（6） 应变测量若应变测量不是连续进行的，则要求按下列时间间隔测量应变： 1，6，12，30min；1，2，3，5，7，10h，以后按十进位递增，并以小时为单位。 如蠕变应变-时间曲线有不连续性，读数应比上述要求更频繁。
（7） 实验超过预定时间而试样不破断，应快速而轻轻地卸去载荷。若要求测量恢复应变时，
即用与加载时相同的时间间隔测量恢复应变。
六、实验结果表示
（1）等时应力-应变曲线
首先由测得的应变对时间作图，得蠕变应变-时间曲线，并以应力为参数。然后在蠕变 应变-时间曲线上，截取某一规定时间，如 1000h 或其他时间，求得应力和相对应的蠕变应变。以若干不同水平的应力对相应蠕变应变作图即得等时应力-应变曲线。
对短期加载即表现出明显蠕变的材料，可以选取较短的时间，以便分析或用于特殊设计。
（2）1000h 产生 1%蠕变应变的应力
作 1000h 的等时应力-应变曲线。用内插法求得 1%应变的应力，若该应力在线性区域时，
初始应力水平应不少于三个；若该应力在非线性区域时，应力水平应更多。
（3） 蠕变模量-时间曲线
用按公式（5）计算得到的蠕变模量（MPa）的常用对数对加载时间（h）的常用对数作
图，并以应力作为参数。
（4） 蠕变应变-时间曲线
用蠕变应变的百分数的常用对数对加载时间（h）的常用对数作图，并以应力作为参数。
（5） 蠕变破断曲线
若试样在实验时发生破断，常规的初始应力（sB,t）（MPa）对相应的破断时间（h）的
常用对数作图。根据实验目的可用se,t 代替sB,t。
注意：试样发生断裂，屈服或细颈可认为是蠕变破断。
七、实验报告
实验报告应包括下列各项：
（1） 采用的国家标准；
（2） 实验材料、生产厂家、牌号名称、批号、制造日期、模塑类型、退火条件等；
（3） 实验尺寸，所取试样的方向；
（4） 状态调节和实验条件，包括温度、相对湿度、气压、加载类型等；
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（5） 按第六项，绘制各条曲线；
（6） 解答思考题。
八、思考题
1. 高分子材料的蠕变特性与材料本身的哪些性质有关？举例说明。
2. 实验中哪些因素影响应变测定误差？如何比较不同材料的蠕变特性？
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