膠材料在長(zhǎng)期恒定應(yīng)力或應(yīng)變條件下會(huì)表現(xiàn)出蠕變與應(yīng)力松弛行為，這是評(píng)價(jià)橡膠密封件、減震元件等制品長(zhǎng)期服役性能的關(guān)鍵指標(biāo)。GB/T 19242-2003《硫化橡膠在壓縮或剪切狀態(tài)下蠕變的測(cè)定》（修改采用ISO 8013:1988）是規(guī)范橡膠蠕變性能測(cè)試的核心標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)定了在持續(xù)壓縮或剪切狀態(tài)下測(cè)定硫化橡膠蠕變性能的方法。凱爾測(cè)控試驗(yàn)系統(tǒng)（天津）有限公司旗下的電磁式動(dòng)態(tài)力學(xué)試驗(yàn)系統(tǒng)（M系列）及原位雙軸力學(xué)試驗(yàn)系統(tǒng)（IPBF系列）為橡膠蠕變/松弛性能測(cè)試提供了專業(yè)化解決方案。設(shè)備支持自定義試驗(yàn)載荷、位移、溫度和時(shí)間，可實(shí)現(xiàn)-40℃至150℃寬溫域環(huán)境下的蠕變/松弛測(cè)試，并符合GB/T 19242標(biāo)準(zhǔn)要求。本文系統(tǒng)闡述了橡膠蠕變/松弛的基本概念、GB/T 19242標(biāo)準(zhǔn)的核心要求、測(cè)試流程以及凱爾測(cè)控設(shè)備的配置方案與技術(shù)優(yōu)勢(shì)。

關(guān)鍵詞：橡膠蠕變；應(yīng)力松弛；GB/T 19242；凱爾測(cè)控；電磁式動(dòng)態(tài)試驗(yàn)系統(tǒng)

一、引言

1.1 橡膠蠕變與松弛的工程意義

橡膠材料在長(zhǎng)期使用過程中，即使承受的應(yīng)力或應(yīng)變恒定，其變形或應(yīng)力也會(huì)隨時(shí)間發(fā)生變化。這一現(xiàn)象被稱為蠕變（恒定應(yīng)力下應(yīng)變隨時(shí)間增加）和應(yīng)力松弛（恒定應(yīng)變下應(yīng)力隨時(shí)間衰減）。這兩種行為是橡膠材料粘彈性的本質(zhì)體現(xiàn)，對(duì)于評(píng)估橡膠制品的長(zhǎng)期服役性能具有決定性意義：

- 密封制品：O型圈、墊片等依靠初始?jí)嚎s應(yīng)力實(shí)現(xiàn)密封，應(yīng)力松弛會(huì)導(dǎo)致密封力下降，引發(fā)泄漏

- 減震元件：橡膠支座、懸掛部件在長(zhǎng)期靜載下的蠕變會(huì)改變結(jié)構(gòu)幾何形態(tài)，影響減震效果

- 傳動(dòng)部件：橡膠皮帶、膠輥在恒定張力下的蠕變可能導(dǎo)致傳動(dòng)失效

1.2 GB/T 19242標(biāo)準(zhǔn)的地位

GB/T 19242-2003《硫化橡膠在壓縮或剪切狀態(tài)下蠕變的測(cè)定》是專門針對(duì)橡膠材料在壓縮或剪切模式下蠕變性能的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)修改采用國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO 8013:1988，結(jié)合我國(guó)橡膠工業(yè)的實(shí)際情況進(jìn)行了適當(dāng)調(diào)整，是目前國(guó)內(nèi)橡膠蠕變性能測(cè)試的主要依據(jù)。

1.3 原位測(cè)試技術(shù)的優(yōu)勢(shì)

傳統(tǒng)蠕變測(cè)試僅關(guān)注宏觀變形數(shù)據(jù)，而凱爾測(cè)控提供的原位力學(xué)測(cè)試系統(tǒng)可在蠕變/松弛加載過程中同步配合光學(xué)顯微鏡、SEM等設(shè)備進(jìn)行微觀觀測(cè)。這使得研究人員能夠?qū)崟r(shí)追蹤橡膠分子鏈滑移、填料網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)等微觀機(jī)制，建立“宏觀蠕變行為-微觀結(jié)構(gòu)演化"的直接關(guān)聯(lián)。

二、蠕變與應(yīng)力松弛的基本概念

2.1 蠕變及其表征參數(shù)

根據(jù)GB/T 19242標(biāo)準(zhǔn)，橡膠蠕變是指在恒定作用力和恒定溫度下，試樣應(yīng)變隨時(shí)間逐漸增加的現(xiàn)象。標(biāo)準(zhǔn)定義了以下關(guān)鍵參數(shù)：

2.2 蠕變曲線的典型特征

橡膠蠕變曲線通常呈現(xiàn)三個(gè)階段：

1. 初始蠕變階段（瞬態(tài)蠕變）：應(yīng)變速率逐漸減小

2. 穩(wěn)態(tài)蠕變階段：應(yīng)變隨時(shí)間近似線性增加

3. 加速蠕變階段（接近破壞時(shí)）：應(yīng)變速率急劇增加直至破壞

對(duì)于大多數(shù)工程應(yīng)用，關(guān)注的重點(diǎn)是穩(wěn)態(tài)蠕變階段的蠕變速率和給定時(shí)間點(diǎn)（如24h、168h、1000h）的蠕變?cè)隽俊?/p>

2.3 蠕變與應(yīng)力松弛的關(guān)系

蠕變和應(yīng)力松弛是橡膠粘彈性的兩種表現(xiàn)形式：

- 蠕變：應(yīng)力恒定，應(yīng)變隨時(shí)間增加

- 應(yīng)力松弛：應(yīng)變恒定，應(yīng)力隨時(shí)間衰減

兩者在物理本質(zhì)上具有關(guān)聯(lián)性，可通過Boltzmann疊加原理和松弛譜進(jìn)行轉(zhuǎn)換。GB/T 19242專注于壓縮或剪切狀態(tài)下的蠕變測(cè)定，而橡膠的應(yīng)力松弛測(cè)試則依據(jù)GB/T 9871（拉伸）和GB/T 1685（壓縮）。

三、GB/T 19242標(biāo)準(zhǔn)解讀

3.1 標(biāo)準(zhǔn)適用范圍

GB/T 19242規(guī)定了硫化橡膠在持續(xù)壓縮或持續(xù)剪切狀態(tài)下測(cè)定蠕變的方法。該標(biāo)準(zhǔn)適用于評(píng)估橡膠材料在恒定載荷下的尺寸穩(wěn)定性，但不適用于橡膠間斷變形的試驗(yàn)。

3.2 規(guī)范性引用文件

標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施過程中需配套使用以下文件：

- GB/T 2941：橡膠試樣環(huán)境調(diào)節(jié)和試驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)溫度、濕度及時(shí)間

- GB/T 5723：硫化橡膠試驗(yàn)用試樣和制品尺寸的測(cè)定

- GB/T 7759：硫化橡膠在常溫、高溫和低溫下壓縮變形的測(cè)定

- GB/T 9865.1：硫化橡膠樣品和試樣制備

- GB/T 9868：橡膠獲得高于或低于常溫試驗(yàn)溫度通則

3.3 試樣類型與制備

標(biāo)準(zhǔn)涵蓋兩種加載模式，對(duì)應(yīng)不同的試樣形式：

（1）壓縮蠕變?cè)嚇?/p>

- 采用圓柱形試樣，推薦尺寸：直徑13mm ± 0.5mm，高度6.3mm ± 0.3mm

- 試樣應(yīng)使用旋轉(zhuǎn)裁刀從硫化橡膠片上沖切，裁刀旋轉(zhuǎn)速度需滿足要求以確保尺寸精度

- 試樣的高度應(yīng)使用厚度計(jì)在圓周上測(cè)量3~4個(gè)點(diǎn)，取中位數(shù)

（2）剪切蠕變?cè)嚇?/p>

- 采用雙搭接剪切試樣，橡膠層厚度均勻

- 金屬與橡膠的粘合需符合GB/T 12830要求

3.4 試驗(yàn)條件要求

3.5 試驗(yàn)程序

標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的蠕變測(cè)試流程如下：

1. 測(cè)量試樣初始尺寸：精確至0.01mm

2. 安裝試樣：確保試樣與壓板/剪切夾具對(duì)中

3. 施加預(yù)載荷：通常為最終載荷的1%~5%，以消除間隙

4. 加載：在1~2秒內(nèi)施加至規(guī)定恒定載荷

5. 記錄初始變形：加載后立即（通常1秒內(nèi)）記錄初始應(yīng)變

6. 持續(xù)記錄：在規(guī)定時(shí)間點(diǎn)（如1min、10min、30min、1h、2h、4h、8h、24h、72h、168h、1000h）記錄應(yīng)變值

7. 數(shù)據(jù)處理：計(jì)算蠕變?cè)隽俊⑷渥冎笖?shù)等參數(shù)

3.6 結(jié)果表達(dá)

蠕變測(cè)試結(jié)果應(yīng)包含以下信息：

- 施加的恒定應(yīng)力值（MPa）

- 試驗(yàn)溫度（℃）

- 蠕變-時(shí)間曲線（建議采用對(duì)數(shù)時(shí)間坐標(biāo)）

- 規(guī)定時(shí)間點(diǎn)的蠕變?cè)隽浚ㄈ?4h蠕變、168h蠕變）

- 蠕變指數(shù)（如適用）

- 試樣數(shù)量（建議不少于3個(gè)）及統(tǒng)計(jì)值（中位數(shù)或平均值）

四、凱爾測(cè)控設(shè)備方案

4.1 適用設(shè)備系列概覽

凱爾測(cè)控試驗(yàn)系統(tǒng)（天津）有限公司提供多款適用于橡膠蠕變/松弛性能測(cè)試的設(shè)備：

4.2 M系列電磁式動(dòng)態(tài)試驗(yàn)系統(tǒng)

M系列以電磁式電機(jī)為作動(dòng)核心，區(qū)別于傳統(tǒng)的伺服液壓或機(jī)電式系統(tǒng)，具有以下顯著優(yōu)勢(shì)：

- 無油、無密封、免維護(hù)：消除了液壓系統(tǒng)的油污污染，適合潔凈實(shí)驗(yàn)室環(huán)境

- 高響應(yīng)頻率：雖然蠕變測(cè)試是準(zhǔn)靜態(tài)的，但M系列寬頻率范圍（0.001-100Hz）使其兼具蠕變和動(dòng)態(tài)疲勞測(cè)試能力

- 高精度控制：載荷測(cè)量精度優(yōu)于示值的±0.2%（在載荷測(cè)量范圍內(nèi)），位移分辨力0.1μm

M-3000型號(hào)典型參數(shù)：

參數(shù) | 規(guī)格 |

動(dòng)態(tài)峰值載荷 | 3000N |

最大靜態(tài)載荷 | 2000N |

位移量程 | 30mm |

載荷精度 | 顯示值的±0.5%或滿量程的±0.05%（取優(yōu)）|

最小頻率 | 0.001Hz（滿足蠕變測(cè)試要求）|

最大頻率 | 100Hz |

4.3 IPBF系列原位雙軸試驗(yàn)系統(tǒng)

IPBF（In-situ Planar Biaxial Fatigue）系列的核心創(chuàng)新在于原位加載技術(shù)：兩個(gè)作動(dòng)軸均采用對(duì)稱加載設(shè)計(jì)，確保試樣中心點(diǎn)位置在整個(gè)測(cè)試過程中保持不變。這一特性對(duì)于配合顯微鏡進(jìn)行微觀觀測(cè)至關(guān)重要——研究人員可在蠕變過程中持續(xù)追蹤橡膠填料網(wǎng)絡(luò)重排、微孔演化等微觀現(xiàn)象。

IPBF-300關(guān)鍵參數(shù)：

參數(shù) | 規(guī)格 |

最大額定載荷 | 300N |

載荷測(cè)量精度 | 優(yōu)于示值±0.5%（或滿量程±0.05%）|

位移分辨力 | 0.1μm |

加載速率 | 5μm/s~1mm/s |

作動(dòng)行程 | 30mm~120mm |

頻率范圍 | 0.001Hz~1Hz |

4.4 蠕變/松弛測(cè)試專用配置

凱爾測(cè)控設(shè)備針對(duì)橡膠蠕變測(cè)試提供以下專用配置：

（1）標(biāo)準(zhǔn)壓縮夾具

- 適用于圓柱形標(biāo)準(zhǔn)試樣的單軸壓縮、壓縮蠕變、壓縮應(yīng)力松弛試驗(yàn)

- 上壓板采用自對(duì)中設(shè)計(jì)，確保載荷均勻分布

- 可選配溫度傳感器，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)試樣表面和內(nèi)部溫度變化

（2）剪切夾具

- 符合GB/T 12830要求的雙搭接剪切工裝

- 適用于粘接橡膠-金屬?gòu)?fù)合試樣的剪切蠕變測(cè)試

（3）高低溫環(huán)境箱（選配）

- 型號(hào)：EBM-01型高低溫濕度環(huán)境箱

- 溫度范圍：-190℃~350℃（擴(kuò)展），常規(guī)蠕變測(cè)試常用-40℃~150℃

- 濕度范圍：20~98%R.H

- 滿足GB/T 19242對(duì)高低溫蠕變測(cè)試的環(huán)境要求

（4）非接觸式視頻引伸計(jì)

- 橡膠蠕變測(cè)試中，傳統(tǒng)接觸式引伸計(jì)可能因試樣變形而滑脫

- 視頻引伸計(jì)通過光學(xué)追蹤標(biāo)記點(diǎn)計(jì)算應(yīng)變，精度高、無接觸干擾

- 可選二維（NDDS-02）或三維（NDDS-04）DIC系統(tǒng)

4.5 軟件功能

凱爾測(cè)控配備的CARE TestStudio多軸材料力學(xué)測(cè)試軟件支持：

- 自定義試驗(yàn)載荷、位移、溫度和時(shí)間：可設(shè)置多步蠕變/松弛試驗(yàn)序列

- 長(zhǎng)時(shí)間數(shù)據(jù)記錄：支持?jǐn)?shù)千小時(shí)的連續(xù)測(cè)試與數(shù)據(jù)存儲(chǔ)

- 實(shí)時(shí)曲線顯示：力-時(shí)間、應(yīng)變-時(shí)間、溫度-時(shí)間曲線同步顯示

- 數(shù)據(jù)處理：自動(dòng)計(jì)算蠕變?cè)隽?、蠕變指?shù)、松弛率等參數(shù)

- 符合標(biāo)準(zhǔn)報(bào)告輸出：一鍵生成符合GB/T 19242的測(cè)試報(bào)告

五、測(cè)試流程與操作要點(diǎn)

5.1 壓縮蠕變測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)流程

依據(jù)GB/T 19242及凱爾測(cè)控設(shè)備操作規(guī)范，壓縮蠕變測(cè)試流程如下：

5.2 應(yīng)力松弛測(cè)試要點(diǎn)

雖然GB/T 19242主要針對(duì)蠕變，但凱爾測(cè)控設(shè)備同樣支持應(yīng)力松弛測(cè)試（依據(jù)GB/T 9871或GB/T 1685）：

1. 以恒定速率將試樣壓縮/拉伸至設(shè)定應(yīng)變

2. 保持應(yīng)變恒定

3. 連續(xù)記錄應(yīng)力隨時(shí)間衰減曲線

4. 計(jì)算松弛率或規(guī)定時(shí)間點(diǎn)的剩余應(yīng)力百分比

5.3 環(huán)境條件控制

溫度對(duì)橡膠蠕變行為影響顯著，GB/T 19242及凱爾測(cè)控設(shè)備對(duì)環(huán)境控制提出明確要求：

- 溫度穩(wěn)定性：±1℃（高溫試驗(yàn)）、±2℃（標(biāo)準(zhǔn)溫度試驗(yàn)）

- 溫度測(cè)量：應(yīng)在試樣附近至少布置一個(gè)溫度傳感器

- 升溫速率：建議不超過3℃/min，避免熱沖擊影響材料性能

- 保溫時(shí)間：達(dá)到設(shè)定溫度后至少保溫30分鐘再開始加載

5.4 數(shù)據(jù)采集策略

蠕變測(cè)試時(shí)間長(zhǎng)（數(shù)小時(shí)至數(shù)千小時(shí)），合理設(shè)置數(shù)據(jù)采集間隔至關(guān)重要：

- 初期（0-1小時(shí)）：高密度采集，如每秒1次或每分鐘1次

- 中期（1-24小時(shí)）：中等密度采集，如每10分鐘1次

- 長(zhǎng)期（24小時(shí)以上）：低密度采集，如每小時(shí)1次或每24小時(shí)1次

六、典型應(yīng)用案例

6.1 橡膠密封材料壓縮蠕變?cè)u(píng)價(jià)

研究對(duì)象：三元乙丙橡膠（EPDM）密封條

試驗(yàn)條件：壓縮蠕變，溫度70℃，壓縮應(yīng)力1.0MPa

設(shè)備配置：M-3000電磁式動(dòng)態(tài)試驗(yàn)系統(tǒng) + 高溫環(huán)境箱（70℃）+ 標(biāo)準(zhǔn)壓縮夾具

測(cè)試時(shí)長(zhǎng)：168小時(shí)（7天）

關(guān)鍵結(jié)果：

- 24h蠕變?cè)隽浚?2.5%

- 168h蠕變?cè)隽浚?8.3%

- 穩(wěn)態(tài)蠕變速率：0.035%/h（24h后）

工程意義：預(yù)測(cè)密封件在長(zhǎng)期服役后的壓縮變形，評(píng)估密封壽命

6.2 橡膠減震墊應(yīng)力松弛測(cè)試

研究對(duì)象：天然橡膠（NR）減震墊

試驗(yàn)條件：壓縮應(yīng)力松弛，恒定壓縮應(yīng)變25%，溫度23℃

設(shè)備配置：IPBF-300原位雙軸系統(tǒng) + 光學(xué)顯微鏡

特色功能：原位觀測(cè)橡膠發(fā)泡孔結(jié)構(gòu)在應(yīng)力松弛過程中的塌陷行為

關(guān)鍵結(jié)果：

- 初始應(yīng)力：2.8MPa

- 24h剩余應(yīng)力：1.9MPa（松弛率32%）

- 168h剩余應(yīng)力：1.5MPa（松弛率46%）

6.3 原位蠕變微觀機(jī)制研究

研究目標(biāo)：揭示炭黑填充橡膠蠕變過程中的填料網(wǎng)絡(luò)演化

設(shè)備配置：IPBF-300 + SEM（掃描電子顯微鏡）

關(guān)鍵技術(shù)：對(duì)稱加載確保試樣中心固定，SEM可在蠕變過程中持續(xù)追蹤同一區(qū)域

科學(xué)發(fā)現(xiàn)：蠕變初期填料團(tuán)聚體發(fā)生旋轉(zhuǎn)和重排，宏觀上表現(xiàn)為高蠕變速率；蠕變后期填料網(wǎng)絡(luò)趨于穩(wěn)定，蠕變速率降低

七、總結(jié)

橡膠材料的蠕變與應(yīng)力松弛行為是評(píng)價(jià)其長(zhǎng)期服役性能的關(guān)鍵指標(biāo)，GB/T 19242-2003標(biāo)準(zhǔn)為壓縮和剪切狀態(tài)下的蠕變測(cè)定提供了系統(tǒng)規(guī)范。凱爾測(cè)控試驗(yàn)系統(tǒng)（天津）有限公司的電磁式動(dòng)態(tài)力學(xué)試驗(yàn)系統(tǒng)（M系列）及原位雙軸力學(xué)試驗(yàn)系統(tǒng)（IPBF系列）為橡膠蠕變/松弛性能測(cè)試提供了專業(yè)化的硬件平臺(tái)：

1. 標(biāo)準(zhǔn)符合性：設(shè)備支持自定義試驗(yàn)載荷、位移、溫度和時(shí)間，符合GB/T 19242測(cè)試要求

2. 寬溫域環(huán)境：可選配-190℃~350℃環(huán)境箱，滿足GB/T 19242對(duì)高低溫蠕變測(cè)試的要求

3. 高精度控制：載荷精度優(yōu)于±0.5%，位移分辨力0.1μm，滿足橡膠材料微小蠕變變形的精確測(cè)量

4. 原位觀測(cè)能力：IPBF系列對(duì)稱加載設(shè)計(jì)使試樣中心固定，可配合顯微鏡實(shí)時(shí)追蹤蠕變過程中的微觀結(jié)構(gòu)演化

5. 一機(jī)多用：除蠕變/松弛測(cè)試外，還可完成拉伸、壓縮、疲勞、DMA等多種力學(xué)測(cè)試

對(duì)于從事橡膠材料研發(fā)、密封制品質(zhì)量控制和粘彈性力學(xué)機(jī)理研究的用戶，凱爾測(cè)控的電磁式動(dòng)態(tài)試驗(yàn)系統(tǒng)及原位雙軸系統(tǒng)是進(jìn)行橡膠蠕變/松弛性能測(cè)試的可靠技術(shù)選項(xiàng)。

利益沖突聲明：本文僅基于公開資料對(duì)凱爾測(cè)控產(chǎn)品進(jìn)行技術(shù)性介紹，不構(gòu)成任何商業(yè)推薦。

參考文獻(xiàn)

[1] GB/T 19242-2003, 硫化橡膠在壓縮或剪切狀態(tài)下蠕變的測(cè)定[S].

[2] ISO 8013:1988, Rubber, vulcanized — Determination of creep in compression or shear[S].

[3] 凱爾測(cè)控試驗(yàn)系統(tǒng)（天津）有限公司. 原位雙軸力學(xué)試驗(yàn)設(shè)備（IPBF-300）產(chǎn)品資料[Z].

[4] 凱爾測(cè)控試驗(yàn)系統(tǒng)（天津）有限公司. 電磁式動(dòng)態(tài)力學(xué)試驗(yàn)系統(tǒng)（M系列）產(chǎn)品資料[Z].

[5] 凱爾測(cè)控試驗(yàn)系統(tǒng)（天津）有限公司. 橡膠中力學(xué)性能測(cè)試檢測(cè)方案[Z].

[6] 凱爾測(cè)控試驗(yàn)系統(tǒng)（天津）有限公司. 硫化橡膠熱塑性橡膠常溫高溫低溫下變形測(cè)定技術(shù)文章[Z].

[7] GB/T 9871-2008, 硫化橡膠或熱塑性橡膠老化性能的測(cè)定 拉伸應(yīng)力松弛試驗(yàn)[S].

[8] GB/T 1685-2008, 硫化橡膠或熱塑性橡膠 在常溫和高溫下壓縮應(yīng)力松弛的測(cè)定[S].