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应力松弛检测

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发布时间：2025-06-02 05:47:01 更新时间：2025-06-01 05:47:01

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作者：中科光析科学技术研究所检测中心

应力松弛检测：材料长期性能的关键评估

应力松弛是指在恒定应变条件下，材料内部的应力随时间逐渐减小的现象。它是表征高分子材料（如橡胶、塑料、粘合剂）、金属材料（尤其在高温下）、复合材料等长期力学性能稳定性和预测其使用寿命的关键指标。这种现象广泛存在于承受持续载荷或变形的工程构件中，如密封垫圈、弹簧、预应力构件、电缆护套等。应力松弛检测的核心目的在于评估材料抵抗应力损失的能力，预测其在服役过程中的功能保持性，为产品设计、材料筛选、工艺优化和寿命评估提供至关重要的实验依据。通过精确测量应力随时间衰减的规律，工程师能够有效避免因应力松弛导致的密封失效、紧固力下降、尺寸稳定性变差等问题，保障产品的安全性和可靠性。

核心检测项目

应力松弛检测通常关注以下核心项目：

应力松弛曲线：应力随松弛时间变化的完整曲线，直观反映松弛过程。
初始应力 (σ₀)：在施加应变瞬间测得的应力值，是松弛的起始点。
剩余应力 (σ_t)：在特定松弛时间点t测得的应力值。
应力松弛率 (R)：常用一定时间（如24小时、100小时、1000小时等）后的剩余应力与初始应力的百分比（σ_t/σ₀ × 100%）。
应力松弛速率：单位时间内应力的下降量，反映松弛的快慢。
松弛模量 (E_r(t))：特定时间t的剩余应力除以恒定应变（E_r(t) = σ_t / ε₀）。
松弛时间谱（更高级分析）：描述材料内部不同松弛机制的时间尺度分布。

主要检测仪器

进行应力松弛检测需要专门的力学测试设备：

动态热机械分析仪：最常用且功能强大的设备，可在宽温度范围和频率下进行测试，精确控温和施加应变/应力。
静态应力松弛试验机：专门设计用于长时间（数天、数月甚至数年）恒定应变下的应力监测，通常配备高精度力传感器和位移传感器。
万能材料试验机 (配备松弛测试模块)：许多现代万能试验机可通过软件和夹具扩展，进行应力松弛测试。
螺栓应力松弛测试机：专门用于模拟和测试紧固件（螺栓、螺母）在预紧力下的应力松弛行为。
恒应变夹具：关键部件，用于在测试过程中将试样精确地固定在设定的应变状态。
高灵敏度力传感器和位移传感器：用于实时、精确测量载荷（应力）和位移（应变）。
环境箱 (温湿度控制)：用于研究温度、湿度等环境因素对应力松弛行为的影响。

常用检测方法

应力松弛检测的核心方法遵循以下基本步骤：

试样制备：根据标准要求制备标准化的试样（如哑铃型、矩形条、螺栓组合件等）。
装样与对中：将试样精确安装在试验机的恒应变夹具中，确保对中良好，避免偏心载荷。
设定测试条件：设定目标温度、湿度（如适用）、目标初始应变速率或直接设定目标应变量。
施加应变：以设定的速率将试样拉伸（或压缩）至预定的恒定应变目标值 (ε₀)。此过程需快速且可控。
保持恒定应变：在达到目标应变ε₀的瞬间（t=0），立即停止位移运动，并将该应变值精确锁定保持恒定。此步骤是整个测试的关键。
监测应力衰减：从t=0开始，试验机的高精度力传感器持续记录随时间不断衰减的载荷（F(t)）。测试时间可以从几分钟到数千小时不等，取决于材料和应用要求。
数据记录与转换：记录时间(t)和对应的载荷(F(t))。根据试样的原始横截面积(A₀)计算应力：σ(t) = F(t) / A₀。
数据分析：绘制应力松弛曲线（σ(t) vs t），计算初始应力σ₀、特定时间点的剩余应力σ_t、应力松弛率R、松弛模量E_r(t)等参数。常在对数时间坐标下分析曲线。

相关检测标准

为确保测试结果的准确性、可比性和可靠性，应力松弛检测需严格遵循国际、国家或行业标准，常用标准包括：

国际标准 (ISO)：
- ISO 3384: 硫化橡胶或热塑性橡胶 - 在常温和高温下压缩应力松弛的测定。
- ISO 6914: 硫化橡胶 - 在常温和高温下拉伸应力松弛的测定。
- ISO 899-1: 塑料 - 蠕变行为的测定 - 第1部分：拉伸蠕变（包含应力松弛相关内容）。
美国材料与试验协会标准 (ASTM)：
- ASTM D2990: 塑料的拉伸、压缩和弯曲蠕变及蠕变断裂的标准试验方法（包含应力松弛选项）。
- ASTM D6147: 通过约束卷曲法测定橡胶压缩应力松弛的标准试验方法。
- ASTM E328: 材料和结构应力松弛试验的标准试验方法（更通用，涵盖金属等）。
- ASTM F2345: 评价血管支架在加速变形下应力松弛的标准试验方法（医疗器械特定）。
中国国家标准 (GB)：
- GB/T 1685: 硫化橡胶或热塑性橡胶在常温和高温下压缩应力松弛的测定（等效采用 ISO 3384）。
- GB/T 9871: 硫化橡胶或热塑性橡胶老化性能的测定拉伸应力松弛试验（等效采用 ISO 6914）。
- GB/T 2039: 金属拉伸蠕变及持久试验方法（涉及高温长时应力松弛）。
- GB/T 2611: 试验机通用技术要求（相关设备校准依据）。
行业/企业标准：特定行业（如汽车、航空航天、电子电器）或企业常根据自身产品需求制定更详细的内部测试规范。