塑料蠕变试验机的开发应用

2023-12-04陶立英于洪民

现代制造技术与装备 2023年10期

陶立英姜林于洪民

（1.济南大学，济南 250022；2.山东航天电子技术研究所，烟台 264670；3.力速（山东）测试设备有限公司，济南 250132）

在材料科学中，材料的抗蠕变性能是重要的力学性能之一。蠕变试验是一种用来评估材料在高温、高压等极端环境下稳定性能的测试方法。它将试样放置在一定温度的氛围箱内持续加载，使试样发生蠕变变形来评估材料在恒定温度和负载下的稳定性能[1]。试验过程通常采用恒应力方式进行控制，确保数据的准确性和可靠性。蠕变试验机包括加载系统、变形测量系统、温控系统、控制系统以及各种试样夹持辅具等。加载系统包括加载框架和负荷传感器。变形测量装置包括视频引伸计、数码相机等。温控系统包括温度箱、加热装置、温度显示以及温度控制装置等。控制装置通过程序完成对各项试验参数的设定调整、对试验数据的处理和对试验曲线的实时绘制。蠕变和蠕变断裂的数据有助于预测材料在长期载荷下的蠕变模量和强度，或在规定环境条件下承受恒定拉伸和压缩载荷后的断裂情况，为塑料零件的设计、制造、使用以及维护等提供理论参考。很多行业如航空、汽车对材料的稳定性有着高要求，因此蠕变试验机成为其必不可少的测试设备。ECT-M10 塑料蠕变试验机用于塑料的拉伸、压缩、弯曲蠕变试验以及低周循环试验，满足相关国际标准和美国材料学会标准试验方法要求，可测量塑料材料在拉伸、压缩、弯曲时时间的变化和断裂时间的关系，或在规定环境条件下承受拉压载荷时试样的断裂情况。这些数据可以应用于材料比较、装配零部件设计、塑料在恒定载荷下的长期性能表征以及在某些情况下进行规范约束[2]。

1 蠕变试验机的主机结构

主机部分由加载框架、环境箱、变形测量系统和强电部分组成，结构如图1 所示。

图1 试验机主机

主机框架除组成框架的立柱、横梁、工作台之外，还包括安装在框架上的加载缸、拉伸辅具电气部分（包括电气按钮）及移动支架等。框架上横梁安装有3 套上法兰、3 套下法兰和3 套负荷传感器。拉伸辅具采用手动夹紧方式，通过相应的按钮，可以手动调整加载缸的活塞行程，实现拉伸辅具的上下运动，用于安装和拆卸试样。设备电源总按钮盒具有电源总开关和急停按钮。强电板安装在设备罩板内部。

2 加载系统

2.1 加载框架

如图2 所示，加载框架采用高刚度固定试验空间结构，能够保证载荷平稳施加，不会造成瞬时过载。在蠕变至破裂的试验中，它能够防止破裂时发生的任何冲击传递到相邻的加载系统。电气按钮安装在可以移动旋转的支架上，方便使用。温度箱箱体与前门板采用分离结构，为了方便拆卸试样，采用4 套铰链连接。工作时，把前门板推到试样正前面，并用铰链与温度箱固定。安装或拆卸试样时，把支架推到旁边。前门板结构较复杂，带有多层玻璃观察窗，并有多组照明灯，方便视频引伸计观察。变形测量系统由3 套视频引伸计系统组成，安装在可以左右移动的支架上，试验时推到试样正前面，安装、拆卸试样时把支架推到旁边，方便操作。电动加载系统采用伺服电机作为动力，运行平稳，噪声低。

2.2 电动加载系统

电动加载系统主要由伺服电机、减速机、同步齿形轮以及滚珠丝杠等部分组成，如图3 所示。伺服电机-减速机采用日本安川伺服电机，运行平稳，噪声低。同步齿形带传动部分运行平稳，控制精确。连接筒起承载作用，并与加载框架连接。加载缸内置滚珠丝杠，运动精准。负荷传感器采用Celtron 传感器。

图3 电动加载系统

2.3 试验过程

按材料标准规定或《塑料试样状态调节和试验的标准环境》（GB/T 2918—1998）的要求调节试样状态，再按《塑料拉伸性能的测定第1 部分：总则》（GB/T 1040.1—2006）的规定测量试样尺寸，最后将试样安装在夹具上，选择合适的应力值平稳加载。加载过程、时间与应力应变的测量，都由专用的控制系统自动控制。

3 变形与力的测量系统及试验曲线

3.1 变形测量系统

变形测量系统由3 套非接触式视频引伸计装置组成（图4），标距可设定。每个测试试样配备一台高精度摄像机，通过固定位置摄像头进行快速精确的测量。应用专用的测试软件进行快速测试设置，确保试样轴线与测量光轴垂直。密封的环境试验箱可确保温度精度可控。此外，系统具备灵活的测量长度和测量范围值。轴向加载时，可以测量试样的轴向应变。挠曲试验时，可以测量试样的挠度。系统可以确保每个工位的蠕变参数单独测控，可测量的参数包括拉伸、弯曲、压缩以及缺口的变形。

图4 变形测量系统

为满足蠕变的长时间要求，保证试验数据的准确性，测量系统带有传感器标定模块，并在每次试验前进行力值标定。每个加载单元实现闭环控制，测量的最大试验力为10 kN，力值测量精度为±0.5%，同种材料的试验使用相同的加载速度，行程为200 mm，速度范围为0.001 ～100 mm·min-1，速度误差要求不高于±0.1%。

3.2 实时试验曲线

试验过程中，根据实时采集的试验数据，可以绘制3 种试验曲线。图5 是在一定温度下对应的3 种初始应力的蠕变曲线，σ1、σ2、σ3为逐渐增大的初始应力，横坐标为时间t的对数，纵坐标为蠕变应变量εt。图6是在一定温度下对应的3 种初始应力的蠕变模量曲线，σ1、σ2、σ3为逐渐增大的初始应力，横坐标为时间t的对数，纵坐标为蠕变模量Et。图7 是在不同温度下的等时应力应变曲线，t1、t2温度逐渐升高。横坐标为蠕变应变εt，纵坐标为应力σ[3]。

图5 蠕变曲线

图6 蠕变模量曲线

图7 等时应力应变曲线

4 夹具与辅具部分

拉伸辅具采用手动对夹结构，如图8 所示。夹紧螺钉端部有内六角沉孔，可以用内六角扳手旋转来夹紧或松开。把辅具安装在上下法兰上，用随机带的直径为8 mm 的插销连接，然后拧紧法兰上的圆螺母。轴向加力时，上下夹头之间的几何中心线应与加载轴线一致，同轴度不得超过15%[4]。加载前，试样在夹具内应完全对中，一旦开始加载，不允许试样在夹具内出现滑移现象。压缩试验时，为保证两平行压板将载荷施加在试样上，其中一个压板设计为自动对准。为了使载荷均匀施加在试样表面，设计时令试样精确居中，从而使得施加的载荷通过试样的中心。弯曲试验时，试验辅具能在试样两端提供刚性支撑，其跨度为16 倍的试样厚度。为避免试样压痕过大，支架半径为3.2 mm（0.125 英寸）[5]。此外，需要在试样下方留出足够空间，以便自重加载。

图8 手动拉伸辅具

5 温控系统

温度箱的控制范围为-35 ～250 ℃，使用液态氮进行冷却。温度箱双壁采用不锈钢外壳，采用上下贯通的聚四氟乙烯衬套，利用气流原理，通过2 个加热盘管和2 个风扇实现最佳热量分配。温度箱配备有PT100 温度传感器，背面设计有4 个玻璃观察窗，使用视频引伸计进行非接触式应变测量。温度箱设有外部温度控制器，温度控制精度为0.1 ℃。窗外加热接头和室灯连接装置，通过测试软件进行控制。