橡胶材料蠕变/松弛性能测试 GB/T 19242标准

胶材料在长期恒定应力或应变条件下会表现出蠕变与应力松弛行为，这是评价橡胶密封件、减震元件等制品长期服役性能的关键指标。GB/T 19242-2003《硫化橡胶在压缩或剪切状态下蠕变的测定》（修改采用ISO 8013:1988）是规范橡胶蠕变性能测试的核心标准，规定了在持续压缩或剪切状态下测定硫化橡胶蠕变性能的方法。凯尔测控试验系统（天津）有限公司旗下的电磁式动态力学试验系统（M系列）及原位双轴力学试验系统（IPBF系列）为橡胶蠕变/松弛性能测试提供了专业化解决方案。设备支持自定义试验载荷、位移、温度和时间，可实现-40℃至150℃宽温域环境下的蠕变/松弛测试，并符合GB/T 19242标准要求。本文系统阐述了橡胶蠕变/松弛的基本概念、GB/T 19242标准的核心要求、测试流程以及凯尔测控设备的配置方案与技术优势。

关键词：橡胶蠕变；应力松弛；GB/T 19242；凯尔测控；电磁式动态试验系统

一、引言

1.1 橡胶蠕变与松弛的工程意义

橡胶材料在长期使用过程中，即使承受的应力或应变恒定，其变形或应力也会随时间发生变化。这一现象被称为蠕变（恒定应力下应变随时间增加）和应力松弛（恒定应变下应力随时间衰减）。这两种行为是橡胶材料粘弹性的本质体现，对于评估橡胶制品的长期服役性能具有决定性意义：

- 密封制品：O型圈、垫片等依靠初始压缩应力实现密封，应力松弛会导致密封力下降，引发泄漏

- 减震元件：橡胶支座、悬挂部件在长期静载下的蠕变会改变结构几何形态，影响减震效果

- 传动部件：橡胶皮带、胶辊在恒定张力下的蠕变可能导致传动失效

1.2 GB/T 19242标准的地位

GB/T 19242-2003《硫化橡胶在压缩或剪切状态下蠕变的测定》是专门针对橡胶材料在压缩或剪切模式下蠕变性能的测试标准。该标准修改采用国际标准ISO 8013:1988，结合我国橡胶工业的实际情况进行了适当调整，是目前国内橡胶蠕变性能测试的主要依据。

1.3 原位测试技术的优势

传统蠕变测试仅关注宏观变形数据，而凯尔测控提供的原位力学测试系统可在蠕变/松弛加载过程中同步配合光学显微镜、SEM等设备进行微观观测。这使得研究人员能够实时追踪橡胶分子链滑移、填料网络重构等微观机制，建立“宏观蠕变行为-微观结构演化"的直接关联。

二、蠕变与应力松弛的基本概念

2.1 蠕变及其表征参数

根据GB/T 19242标准，橡胶蠕变是指在恒定作用力和恒定温度下，试样应变随时间逐渐增加的现象。标准定义了以下关键参数：

2.2 蠕变曲线的典型特征

橡胶蠕变曲线通常呈现三个阶段：

1. 初始蠕变阶段（瞬态蠕变）：应变速率逐渐减小

2. 稳态蠕变阶段：应变随时间近似线性增加

3. 加速蠕变阶段（接近破坏时）：应变速率急剧增加直至破坏

对于大多数工程应用，关注的重点是稳态蠕变阶段的蠕变速率和给定时间点（如24h、168h、1000h）的蠕变增量。

2.3 蠕变与应力松弛的关系

蠕变和应力松弛是橡胶粘弹性的两种表现形式：

- 蠕变：应力恒定，应变随时间增加

- 应力松弛：应变恒定，应力随时间衰减

两者在物理本质上具有关联性，可通过Boltzmann叠加原理和松弛谱进行转换。GB/T 19242专注于压缩或剪切状态下的蠕变测定，而橡胶的应力松弛测试则依据GB/T 9871（拉伸）和GB/T 1685（压缩）。

三、GB/T 19242标准解读

3.1 标准适用范围

GB/T 19242规定了硫化橡胶在持续压缩或持续剪切状态下测定蠕变的方法。该标准适用于评估橡胶材料在恒定载荷下的尺寸稳定性，但不适用于橡胶间断变形的试验。

3.2 规范性引用文件

标准实施过程中需配套使用以下文件：

- GB/T 2941：橡胶试样环境调节和试验的标准温度、湿度及时间

- GB/T 5723：硫化橡胶试验用试样和制品尺寸的测定

- GB/T 7759：硫化橡胶在常温、高温和低温下压缩变形的测定

- GB/T 9865.1：硫化橡胶样品和试样制备

- GB/T 9868：橡胶获得高于或低于常温试验温度通则

3.3 试样类型与制备

标准涵盖两种加载模式，对应不同的试样形式：

（1）压缩蠕变试样

- 采用圆柱形试样，推荐尺寸：直径13mm ± 0.5mm，高度6.3mm ± 0.3mm

- 试样应使用旋转裁刀从硫化橡胶片上冲切，裁刀旋转速度需满足要求以确保尺寸精度

- 试样的高度应使用厚度计在圆周上测量3~4个点，取中位数

（2）剪切蠕变试样

- 采用双搭接剪切试样，橡胶层厚度均匀

- 金属与橡胶的粘合需符合GB/T 12830要求

3.4 试验条件要求

3.5 试验程序

标准规定的蠕变测试流程如下：

1. 测量试样初始尺寸：精确至0.01mm

2. 安装试样：确保试样与压板/剪切夹具对中

3. 施加预载荷：通常为最终载荷的1%~5%，以消除间隙

4. 加载：在1~2秒内施加至规定恒定载荷

5. 记录初始变形：加载后立即（通常1秒内）记录初始应变

6. 持续记录：在规定时间点（如1min、10min、30min、1h、2h、4h、8h、24h、72h、168h、1000h）记录应变值

7. 数据处理：计算蠕变增量、蠕变指数等参数

3.6 结果表达

蠕变测试结果应包含以下信息：

- 施加的恒定应力值（MPa）

- 试验温度（℃）

- 蠕变-时间曲线（建议采用对数时间坐标）

- 规定时间点的蠕变增量（如24h蠕变、168h蠕变）

- 蠕变指数（如适用）

- 试样数量（建议不少于3个）及统计值（中位数或平均值）

四、凯尔测控设备方案

4.1 适用设备系列概览

凯尔测控试验系统（天津）有限公司提供多款适用于橡胶蠕变/松弛性能测试的设备：

4.2 M系列电磁式动态试验系统

M系列以电磁式电机为作动核心，区别于传统的伺服液压或机电式系统，具有以下显著优势：

- 无油、无密封、免维护：消除了液压系统的油污污染，适合洁净实验室环境

- 高响应频率：虽然蠕变测试是准静态的，但M系列宽频率范围（0.001-100Hz）使其兼具蠕变和动态疲劳测试能力

- 高精度控制：载荷测量精度优于示值的±0.2%（在载荷测量范围内），位移分辨力0.1μm

M-3000型号典型参数：

参数 | 规格 |

动态峰值载荷 | 3000N |

最大静态载荷 | 2000N |

位移量程 | 30mm |

载荷精度 | 显示值的±0.5%或满量程的±0.05%（取优）|

最小频率 | 0.001Hz（满足蠕变测试要求）|

最大频率 | 100Hz |

4.3 IPBF系列原位双轴试验系统

IPBF（In-situ Planar Biaxial Fatigue）系列的核心创新在于原位加载技术：两个作动轴均采用对称加载设计，确保试样中心点位置在整个测试过程中保持不变。这一特性对于配合显微镜进行微观观测至关重要——研究人员可在蠕变过程中持续追踪橡胶填料网络重排、微孔演化等微观现象。

IPBF-300关键参数：

参数 | 规格 |

最大额定载荷 | 300N |

载荷测量精度 | 优于示值±0.5%（或满量程±0.05%）|

位移分辨力 | 0.1μm |

加载速率 | 5μm/s~1mm/s |

作动行程 | 30mm~120mm |

频率范围 | 0.001Hz~1Hz |

4.4 蠕变/松弛测试专用配置

凯尔测控设备针对橡胶蠕变测试提供以下专用配置：

（1）标准压缩夹具

- 适用于圆柱形标准试样的单轴压缩、压缩蠕变、压缩应力松弛试验

- 上压板采用自对中设计，确保载荷均匀分布

- 可选配温度传感器，实时监测试样表面和内部温度变化

（2）剪切夹具

- 符合GB/T 12830要求的双搭接剪切工装

- 适用于粘接橡胶-金属复合试样的剪切蠕变测试

（3）高低温环境箱（选配）

- 型号：EBM-01型高低温湿度环境箱

- 温度范围：-190℃~350℃（扩展），常规蠕变测试常用-40℃~150℃

- 湿度范围：20~98%R.H

- 满足GB/T 19242对高低温蠕变测试的环境要求

（4）非接触式视频引伸计

- 橡胶蠕变测试中，传统接触式引伸计可能因试样变形而滑脱

- 视频引伸计通过光学追踪标记点计算应变，精度高、无接触干扰

- 可选二维（NDDS-02）或三维（NDDS-04）DIC系统

4.5 软件功能

凯尔测控配备的CARE TestStudio多轴材料力学测试软件支持：

- 自定义试验载荷、位移、温度和时间：可设置多步蠕变/松弛试验序列

- 长时间数据记录：支持数千小时的连续测试与数据存储

- 实时曲线显示：力-时间、应变-时间、温度-时间曲线同步显示

- 数据处理：自动计算蠕变增量、蠕变指数、松弛率等参数

- 符合标准报告输出：一键生成符合GB/T 19242的测试报告

五、测试流程与操作要点

5.1 压缩蠕变测试标准流程

依据GB/T 19242及凯尔测控设备操作规范，压缩蠕变测试流程如下：

5.2 应力松弛测试要点

虽然GB/T 19242主要针对蠕变，但凯尔测控设备同样支持应力松弛测试（依据GB/T 9871或GB/T 1685）：

1. 以恒定速率将试样压缩/拉伸至设定应变

2. 保持应变恒定

3. 连续记录应力随时间衰减曲线

4. 计算松弛率或规定时间点的剩余应力百分比

5.3 环境条件控制

温度对橡胶蠕变行为影响显著，GB/T 19242及凯尔测控设备对环境控制提出明确要求：

- 温度稳定性：±1℃（高温试验）、±2℃（标准温度试验）

- 温度测量：应在试样附近至少布置一个温度传感器

- 升温速率：建议不超过3℃/min，避免热冲击影响材料性能

- 保温时间：达到设定温度后至少保温30分钟再开始加载

5.4 数据采集策略

蠕变测试时间长（数小时至数千小时），合理设置数据采集间隔至关重要：

- 初期（0-1小时）：高密度采集，如每秒1次或每分钟1次

- 中期（1-24小时）：中等密度采集，如每10分钟1次

- 长期（24小时以上）：低密度采集，如每小时1次或每24小时1次

六、典型应用案例

6.1 橡胶密封材料压缩蠕变评价

研究对象：三元乙丙橡胶（EPDM）密封条

试验条件：压缩蠕变，温度70℃，压缩应力1.0MPa

设备配置：M-3000电磁式动态试验系统 + 高温环境箱（70℃）+ 标准压缩夹具

测试时长：168小时（7天）

关键结果：

- 24h蠕变增量：12.5%

- 168h蠕变增量：18.3%

- 稳态蠕变速率：0.035%/h（24h后）

工程意义：预测密封件在长期服役后的压缩变形，评估密封寿命

6.2 橡胶减震垫应力松弛测试

研究对象：天然橡胶（NR）减震垫

试验条件：压缩应力松弛，恒定压缩应变25%，温度23℃

设备配置：IPBF-300原位双轴系统 + 光学显微镜

特色功能：原位观测橡胶发泡孔结构在应力松弛过程中的塌陷行为

关键结果：

- 初始应力：2.8MPa

- 24h剩余应力：1.9MPa（松弛率32%）

- 168h剩余应力：1.5MPa（松弛率46%）

6.3 原位蠕变微观机制研究

研究目标：揭示炭黑填充橡胶蠕变过程中的填料网络演化

设备配置：IPBF-300 + SEM（扫描电子显微镜）

关键技术：对称加载确保试样中心固定，SEM可在蠕变过程中持续追踪同一区域

科学发现：蠕变初期填料团聚体发生旋转和重排，宏观上表现为高蠕变速率；蠕变后期填料网络趋于稳定，蠕变速率降低

七、总结

橡胶材料的蠕变与应力松弛行为是评价其长期服役性能的关键指标，GB/T 19242-2003标准为压缩和剪切状态下的蠕变测定提供了系统规范。凯尔测控试验系统（天津）有限公司的电磁式动态力学试验系统（M系列）及原位双轴力学试验系统（IPBF系列）为橡胶蠕变/松弛性能测试提供了专业化的硬件平台：

1. 标准符合性：设备支持自定义试验载荷、位移、温度和时间，符合GB/T 19242测试要求

2. 宽温域环境：可选配-190℃~350℃环境箱，满足GB/T 19242对高低温蠕变测试的要求

3. 高精度控制：载荷精度优于±0.5%，位移分辨力0.1μm，满足橡胶材料微小蠕变变形的精确测量

4. 原位观测能力：IPBF系列对称加载设计使试样中心固定，可配合显微镜实时追踪蠕变过程中的微观结构演化

5. 一机多用：除蠕变/松弛测试外，还可完成拉伸、压缩、疲劳、DMA等多种力学测试

对于从事橡胶材料研发、密封制品质量控制和粘弹性力学机理研究的用户，凯尔测控的电磁式动态试验系统及原位双轴系统是进行橡胶蠕变/松弛性能测试的可靠技术选项。

利益冲突声明：本文仅基于公开资料对凯尔测控产品进行技术性介绍，不构成任何商业推荐。

参考文献

[1] GB/T 19242-2003, 硫化橡胶在压缩或剪切状态下蠕变的测定[S].

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

[3] 凯尔测控试验系统（天津）有限公司. 原位双轴力学试验设备（IPBF-300）产品资料[Z].

[4] 凯尔测控试验系统（天津）有限公司. 电磁式动态力学试验系统（M系列）产品资料[Z].

[5] 凯尔测控试验系统（天津）有限公司. 橡胶中力学性能测试检测方案[Z].

[6] 凯尔测控试验系统（天津）有限公司. 硫化橡胶热塑性橡胶常温高温低温下变形测定技术文章[Z].

[7] GB/T 9871-2008, 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[S].

[8] GB/T 1685-2008, 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[S].