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

作者：原始汽车缔造者
2021-12-14 14:28
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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。

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。

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。

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。

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。