主题:【讨论】汽车可靠性验证:蠕变测试前要做这些准备,可惜很多工程师不知道……

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材料蠕变

指固体材料在恒定应力作用下,应变随时间延长而增加的现象。

汽车轻量化发展趋势日渐迅猛,许多车用零部件实现了以塑代钢,且在部分零部件中承担功能结构件的作用,相比于传统金属零件,塑料零件的长期安全性、可靠性需要得到保证,特别是对于汽车零部件如前端框架、进气歧管、排风扇及发动机周边其他零部件在抗蠕变性能的要求上也更加苛刻。

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基于市场需求,国高材分析测试中心引进了蠕变试验机,且在塑料蠕变测试方面积累了丰富的经验,同时也在不断服务市场的过程,发现一些客户对试样前期准备工作不足,盲目测试。本文,希望通过几个客户服务案例,论证5大准备工作对材料蠕变测试的重要性。

一、所有的材料都能测蠕变?看标准怎么说

常用塑料蠕变性能测试的标准有ISO 899-1/2,GB/T 11546.1/2,ASTM D2990。适用于硬质和半硬质的非增强、填充和纤维增强的塑料材料,可直接模塑的哑铃型试样或从薄片或模塑制品机加工所得的试样。通常进行蠕变测试,需要得到的测试项目有:拉伸蠕变应变、标称拉伸蠕变应变、拉伸蠕变模量、标称拉伸蠕变模量、破断时间、等时应力-应变曲线、蠕变恢复等。进行蠕变性能测试,需明确三个条件:温度、载荷、时间。温度应与状态调节相同的环境下进行试验,试验时间内温度偏差在±2℃;载荷应与材料的预期应用相当,规定初始应变可通过模量进行换算得出初始载荷;时间无规定,准确至±2s内,通常在1000h内。

二、需注意标准范围外的非硬质塑料蠕变性能特征

如某软质塑料的蠕变性能:温度23℃,拉伸强度的10%、20%、40%、50%、70%载荷条件下的100h蠕变曲线,通过基础物性检测可得出其拉伸强度为21MPa。

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图1 某软质塑料的标称蠕变应变曲线图

经过规范测试后得出的标称蠕变应变随时间的蠕变曲线关系如图1所示,可看出10%、20%的蠕变应变较小,100h大概变形0.53%、0.99%,而大载荷如40%、50%、70%最终的变形量都较大,且无法拉断,达到设备的量程极限处停止,且大载荷50%、70%很快就达到了设备最大量程处,近似可看成静态拉伸。

因此非硬质材料测试其大载荷条件下的蠕变性能是无意义的。整个蠕变过程可近似看成静态拉伸,且宏观上产生了明显塑性变形或颈缩,材料已经进入到失稳阶段,此时产生的变形也是任何结构工件所不能允许的。

再者,大多数客户需要蠕变数据是CAE仿真分析需要,希望应用到工程设计上使用,因此必须使用标距段的变形量才可应用到CAE仿真分析中。而我们加上标记块得出的结果如图2所示。

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图2 某软质材料的蠕变应变曲线和测试现象图

由图2中的曲线图可以看出大载荷50%和70%载荷条件下,蠕变开始上升后极速下降至负值,而40%载荷条件下亦是先增加后下降然后稳定。结合图2中样品和标记块的状态图可以得出,样条在发生较大变形时,横截面积减小,标记块无法有效固定在样品上发生滑落,失去了监测变形的价值。且载荷在40%时,由于样条变细,标记块出现滑动,监测到的蠕变应变结果亦不可靠。

因此,标准范围外的软质塑料或非硬质半硬质塑料,测试蠕变性能通常意义不大,很难应用到结构工程设计中。常被用来做横向对比,探究相同条件下材料间的抗蠕变能力的差异,为选材或替代材料提供试验依据。

三、提前确认试样的稳定性

样品的稳定性在测试蠕变性能时尤为重要,因为蠕变测试就是会将缺陷效果放大,进而影响到材料整体寿命,而且失效突破点往往是在缺陷处开始然后逐渐扩大,最终导致断裂。

如对某玻璃纤维增强材料进行25℃和130℃条件的下的蠕变测试,获得蠕变破断曲线如图3所示,从结果中可以看出断裂具有随机性,数据点离散程度非常高。存在低载荷的情况断裂时间比相对高载荷的断裂时间还要长,且同一个位置连续测试两次的结果相差亦较大。其原因,可能是由于玻璃纤维的分布均匀性不一,树脂与玻璃纤维的结合差异,给予的缺陷效果不一样,反馈到蠕变破断时间较离散。

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图3 某玻璃纤维增强材料的蠕变破断时间曲线

因此,样品的稳定性好,表现出的长期蠕变性能会较稳定,降低了复测的次数,节约了成本和提高了测试效率,避免了异常结果对试验设计的干扰。

四、选取合适的蠕变测试方向

纤维增强塑料具有各项异性,通常在测试过程中需评估0°、45°、90°方向的力学性能,不同方向的蠕变性能差异较大,且稳定性也不一样。

如某应用到汽车风扇及护风圈中的纤维增强材料,工作时长期受到一个风阻和外摆力,需要提供三个方向(0°、45°、90°)上的蠕变数据。测试的蠕变曲线(85℃&10MPa&100h)见图4所示,由图4可以看出三个方向表现各异,总体表现出0°>45°>90°,其实这也是与纤维增强塑料的纤维分布有关,及各方向上的静态拉伸性能相关。

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图4 某纤维增强材料三个方向的蠕变曲线图

五、依据材料特性合理选择蠕变参数

合理的参数选定对蠕变测试起到至关重要的作用,不合适的参数会导致试验失败或结果无价值,无法指导工程设计和实况分析。

如图5所示,某汽车结构件改性塑料,在40℃和100℃温度条件下进行蠕变试验,施加载荷1.5kN,测试时间24h。从图中可以看出40℃条件下发生的变形量较小,而在100℃条件近似可看成一个静态拉伸。核实该材料100℃条件下的静态拉伸,发现强度低于1.5kN,因此盲目选取参数致使试验结果无效。

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图5某汽车结构件改性塑料在40℃和100℃条件下的蠕变曲线

如图6所示的某发动机周边材料在60℃和80℃条件下进行的蠕变破断曲线,数据由客户提供,要求我们测试出至少一个点断裂在500h-1000h内,而且客户认为他们的蠕变破断曲线的规律为初始应力随破断时间的对数成线性关系。

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(a)直线拟合

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(b)对数拟合

因此依据现有数据进行线性拟合结果见图6a,依据拟合方程可计算出破断时间为500h对应的应力(见表1所示),从表中的线性拟合可以看出,60度条件下破断时间在500h时的施加应力比80度条件还要低,这明显不符合常理,而按照对数拟合,可看出拟合的效果更好,且预测出的载荷也更符合规律。

表1 某发动机周边材料蠕变破断拟合曲线预测结果

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因此,参数的设定需依据实际工况、材料特性、一般规律进行合理选择和设定,不做无用功,不测无用结果,节约资源,提高效率。

此外,有关蠕变性能的一般规律、机理模型、在CAE仿真中的应用等,后续会通陆续发布,敬请关注。
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