塑料蠕變試驗機的開發(fā)應(yīng)用

陶立英 姜 林 于洪民

（1.濟南大學，濟南 250022；2.山東航天電子技術(shù)研究所，煙臺 264670；3.力速（山東）測試設(shè)備有限公司，濟南 250132）

在材料科學中，材料的抗蠕變性能是重要的力學性能之一。蠕變試驗是一種用來評估材料在高溫、高壓等極端環(huán)境下穩(wěn)定性能的測試方法。它將試樣放置在一定溫度的氛圍箱內(nèi)持續(xù)加載，使試樣發(fā)生蠕變變形來評估材料在恒定溫度和負載下的穩(wěn)定性能[1]。試驗過程通常采用恒應(yīng)力方式進行控制，確保數(shù)據(jù)的準確性和可靠性。蠕變試驗機包括加載系統(tǒng)、變形測量系統(tǒng)、溫控系統(tǒng)、控制系統(tǒng)以及各種試樣夾持輔具等。加載系統(tǒng)包括加載框架和負荷傳感器。變形測量裝置包括視頻引伸計、數(shù)碼相機等。溫控系統(tǒng)包括溫度箱、加熱裝置、溫度顯示以及溫度控制裝置等?？刂蒲b置通過程序完成對各項試驗參數(shù)的設(shè)定調(diào)整、對試驗數(shù)據(jù)的處理和對試驗曲線的實時繪制。蠕變和蠕變斷裂的數(shù)據(jù)有助于預測材料在長期載荷下的蠕變模量和強度，或在規(guī)定環(huán)境條件下承受恒定拉伸和壓縮載荷后的斷裂情況，為塑料零件的設(shè)計、制造、使用以及維護等提供理論參考。很多行業(yè)如航空、汽車對材料的穩(wěn)定性有著高要求，因此蠕變試驗機成為其必不可少的測試設(shè)備。ECT-M10 塑料蠕變試驗機用于塑料的拉伸、壓縮、彎曲蠕變試驗以及低周循環(huán)試驗，滿足相關(guān)國際標準和美國材料學會標準試驗方法要求，可測量塑料材料在拉伸、壓縮、彎曲時時間的變化和斷裂時間的關(guān)系，或在規(guī)定環(huán)境條件下承受拉壓載荷時試樣的斷裂情況。這些數(shù)據(jù)可以應(yīng)用于材料比較、裝配零部件設(shè)計、塑料在恒定載荷下的長期性能表征以及在某些情況下進行規(guī)范約束[2]。

1 蠕變試驗機的主機結(jié)構(gòu)

主機部分由加載框架、環(huán)境箱、變形測量系統(tǒng)和強電部分組成，結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 試驗機主機

主機框架除組成框架的立柱、橫梁、工作臺之外，還包括安裝在框架上的加載缸、拉伸輔具電氣部分（包括電氣按鈕）及移動支架等?？蚣苌蠙M梁安裝有3 套上法蘭、3 套下法蘭和3 套負荷傳感器。拉伸輔具采用手動夾緊方式，通過相應(yīng)的按鈕，可以手動調(diào)整加載缸的活塞行程，實現(xiàn)拉伸輔具的上下運動，用于安裝和拆卸試樣。設(shè)備電源總按鈕盒具有電源總開關(guān)和急停按鈕。強電板安裝在設(shè)備罩板內(nèi)部。

2 加載系統(tǒng)

2.1 加載框架

如圖2 所示，加載框架采用高剛度固定試驗空間結(jié)構(gòu)，能夠保證載荷平穩(wěn)施加，不會造成瞬時過載。在蠕變至破裂的試驗中，它能夠防止破裂時發(fā)生的任何沖擊傳遞到相鄰的加載系統(tǒng)。電氣按鈕安裝在可以移動旋轉(zhuǎn)的支架上，方便使用。溫度箱箱體與前門板采用分離結(jié)構(gòu)，為了方便拆卸試樣，采用4 套鉸鏈連接。工作時，把前門板推到試樣正前面，并用鉸鏈與溫度箱固定。安裝或拆卸試樣時，把支架推到旁邊。前門板結(jié)構(gòu)較復雜，帶有多層玻璃觀察窗，并有多組照明燈，方便視頻引伸計觀察。變形測量系統(tǒng)由3 套視頻引伸計系統(tǒng)組成，安裝在可以左右移動的支架上，試驗時推到試樣正前面，安裝、拆卸試樣時把支架推到旁邊，方便操作。電動加載系統(tǒng)采用伺服電機作為動力，運行平穩(wěn)，噪聲低。

2.2 電動加載系統(tǒng)

電動加載系統(tǒng)主要由伺服電機、減速機、同步齒形輪以及滾珠絲杠等部分組成，如圖3 所示。伺服電機-減速機采用日本安川伺服電機，運行平穩(wěn)，噪聲低。同步齒形帶傳動部分運行平穩(wěn)，控制精確。連接筒起承載作用，并與加載框架連接。加載缸內(nèi)置滾珠絲杠，運動精準。負荷傳感器采用Celtron 傳感器。

圖3 電動加載系統(tǒng)

2.3 試驗過程

按材料標準規(guī)定或《塑料試樣狀態(tài)調(diào)節(jié)和試驗的標準環(huán)境》（GB/T 2918—1998）的要求調(diào)節(jié)試樣狀態(tài)，再按《塑料拉伸性能的測定 第1 部分：總則》（GB/T 1040.1—2006）的規(guī)定測量試樣尺寸，最后將試樣安裝在夾具上，選擇合適的應(yīng)力值平穩(wěn)加載。加載過程、時間與應(yīng)力應(yīng)變的測量，都由專用的控制系統(tǒng)自動控制。

3 變形與力的測量系統(tǒng)及試驗曲線

3.1 變形測量系統(tǒng)

變形測量系統(tǒng)由3 套非接觸式視頻引伸計裝置組成（圖4），標距可設(shè)定。每個測試試樣配備一臺高精度攝像機，通過固定位置攝像頭進行快速精確的測量。應(yīng)用專用的測試軟件進行快速測試設(shè)置，確保試樣軸線與測量光軸垂直。密封的環(huán)境試驗箱可確保溫度精度可控。此外，系統(tǒng)具備靈活的測量長度和測量范圍值。軸向加載時，可以測量試樣的軸向應(yīng)變。撓曲試驗時，可以測量試樣的撓度。系統(tǒng)可以確保每個工位的蠕變參數(shù)單獨測控，可測量的參數(shù)包括拉伸、彎曲、壓縮以及缺口的變形。

圖4 變形測量系統(tǒng)

為滿足蠕變的長時間要求，保證試驗數(shù)據(jù)的準確性，測量系統(tǒng)帶有傳感器標定模塊，并在每次試驗前進行力值標定。每個加載單元實現(xiàn)閉環(huán)控制，測量的最大試驗力為10 kN，力值測量精度為±0.5%，同種材料的試驗使用相同的加載速度，行程為200 mm，速度范圍為0.001 ～100 mm·min-1，速度誤差要求不高于±0.1%。

3.2 實時試驗曲線

試驗過程中，根據(jù)實時采集的試驗數(shù)據(jù)，可以繪制3 種試驗曲線。圖5 是在一定溫度下對應(yīng)的3 種初始應(yīng)力的蠕變曲線，σ1、σ2、σ3為逐漸增大的初始應(yīng)力，橫坐標為時間t的對數(shù)，縱坐標為蠕變應(yīng)變量εt。圖6是在一定溫度下對應(yīng)的3 種初始應(yīng)力的蠕變模量曲線，σ1、σ2、σ3為逐漸增大的初始應(yīng)力，橫坐標為時間t的對數(shù)，縱坐標為蠕變模量Et。圖7 是在不同溫度下的等時應(yīng)力應(yīng)變曲線，t1、t2溫度逐漸升高。橫坐標為蠕變應(yīng)變εt，縱坐標為應(yīng)力σ[3]。

圖5 蠕變曲線

圖6 蠕變模量曲線

圖7 等時應(yīng)力應(yīng)變曲線

4 夾具與輔具部分

拉伸輔具采用手動對夾結(jié)構(gòu)，如圖8 所示。夾緊螺釘端部有內(nèi)六角沉孔，可以用內(nèi)六角扳手旋轉(zhuǎn)來夾緊或松開。把輔具安裝在上下法蘭上，用隨機帶的直徑為8 mm 的插銷連接，然后擰緊法蘭上的圓螺母。軸向加力時，上下夾頭之間的幾何中心線應(yīng)與加載軸線一致，同軸度不得超過15%[4]。加載前，試樣在夾具內(nèi)應(yīng)完全對中，一旦開始加載，不允許試樣在夾具內(nèi)出現(xiàn)滑移現(xiàn)象。壓縮試驗時，為保證兩平行壓板將載荷施加在試樣上，其中一個壓板設(shè)計為自動對準。為了使載荷均勻施加在試樣表面，設(shè)計時令試樣精確居中，從而使得施加的載荷通過試樣的中心。彎曲試驗時，試驗輔具能在試樣兩端提供剛性支撐，其跨度為16 倍的試樣厚度。為避免試樣壓痕過大，支架半徑為3.2 mm（0.125 英寸）[5]。此外，需要在試樣下方留出足夠空間，以便自重加載。

圖8 手動拉伸輔具

5 溫控系統(tǒng)

溫度箱的控制范圍為-35 ～250 ℃，使用液態(tài)氮進行冷卻。溫度箱雙壁采用不銹鋼外殼，采用上下貫通的聚四氟乙烯襯套，利用氣流原理，通過2 個加熱盤管和2 個風扇實現(xiàn)最佳熱量分配。溫度箱配備有PT100 溫度傳感器，背面設(shè)計有4 個玻璃觀察窗，使用視頻引伸計進行非接觸式應(yīng)變測量。溫度箱設(shè)有外部溫度控制器，溫度控制精度為0.1 ℃。窗外加熱接頭和室燈連接裝置，通過測試軟件進行控制。

6 結(jié)語

塑料蠕變試驗機的研發(fā)，尤其是與先進的數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)視頻引伸計和專利技術(shù)閉環(huán)控制加載單元相結(jié)合，極大地提升了塑料蠕變性能參數(shù)測定的精確性和便捷性，并能多工位在環(huán)境試驗箱內(nèi)進行各類環(huán)境試驗，為工程設(shè)計、材料研究以及新產(chǎn)品開發(fā)等提供了科學可靠的檢測手段。