在工程應(yīng)用中，許多結(jié)構(gòu)件（如梁、支架、管道、電子封裝基板等）長期承受靜態(tài)或準(zhǔn)靜態(tài)彎曲載荷。盡管所受應(yīng)力遠(yuǎn)低于材料的短期屈服強(qiáng)度，但在長時(shí)間作用下，材料仍可能發(fā)生不可逆的緩慢塑性變形——即蠕變。尤其對于高分子材料、復(fù)合材料及部分金屬合金，蠕變行為顯著影響其服役壽命與尺寸穩(wěn)定性。因此，彎曲蠕變測試作為一種模擬實(shí)際工況的關(guān)鍵可靠性評估手段，被廣泛用于驗(yàn)證材料在持續(xù)彎曲載荷下的抗變形能力與長期耐久性能。

一、彎曲蠕變的基本原理與工程意義

蠕變是指材料在恒定應(yīng)力和溫度條件下，應(yīng)變隨時(shí)間持續(xù)增加的現(xiàn)象。與拉伸蠕變不同，彎曲蠕變更貼近實(shí)際使用場景——例如塑料托盤在倉儲堆疊中的中部下垂、風(fēng)電葉片在自重下的長期撓曲、或電路板在熱-力耦合環(huán)境中的翹曲。

彎曲蠕變測試通過在試樣跨距中部施加恒定載荷（三點(diǎn)或四點(diǎn)彎曲），監(jiān)測其撓度（deflection）隨時(shí)間的變化，從而獲得：

• 蠕變?nèi)崃浚–reep Compliance）

• 穩(wěn)態(tài)蠕變速率

• 臨界失效時(shí)間（如達(dá)到允許最大撓度的時(shí)間）

該測試不僅反映材料的粘彈性本質(zhì)，還直接關(guān)聯(lián)到產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的安全裕度與使用壽命預(yù)測。

二、標(biāo)準(zhǔn)測試方法與實(shí)驗(yàn)規(guī)范

國際上針對彎曲蠕變已建立多項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)化測試規(guī)程，主要包括：

• ISO 899-2《Plastics — Determination of creep behaviour — Part 2: Flexural creep by three-point loading》
  規(guī)定了三點(diǎn)彎曲方式下塑料材料的蠕變測試條件、試樣尺寸（通常80×10×4 mm）、加載方式及數(shù)據(jù)處理方法。

• ASTM D2990–23《Standard Test Methods for Tensile, Compressive, and Flexural Creep and Creep-Rupture of Plastics》
  涵蓋了包括彎曲在內(nèi)的多種蠕變模式，強(qiáng)調(diào)溫度、濕度、載荷水平對結(jié)果的影響。

• GB/T 1681（中國國標(biāo)） 雖主要用于橡膠回彈，但相關(guān)高分子材料的彎曲蠕變常參考ISO或ASTM體系。

典型測試流程如下：

1. 制備標(biāo)準(zhǔn)矩形試樣，確保表面無缺陷；

2. 在恒溫恒濕環(huán)境中調(diào)節(jié)至平衡狀態(tài)；

3. 安裝于彎曲蠕變夾具（三點(diǎn)或四點(diǎn)），施加預(yù)設(shè)載荷（通常為短期彎曲強(qiáng)度的10%~50%）；

4. 使用高精度位移傳感器（如LVDT或光學(xué)測量系統(tǒng)）連續(xù)記錄中心撓度；

5. 測試周期可從數(shù)百小時(shí)至數(shù)千小時(shí)，甚至結(jié)合加速老化模型外推長期行為。

三、關(guān)鍵性能指標(biāo)與失效判據(jù)

彎曲蠕變測試的核心輸出包括：

• 瞬時(shí)撓度（δ?）：加載瞬間的彈性變形；

• 蠕變撓度（δ(t)）：隨時(shí)間增長的粘彈性/粘塑性變形；

• 總撓度 δ_total = δ? + δ(t)；

• 相對蠕變率：(δ(t) – δ?)/δ?；

• 失效時(shí)間 t_f：當(dāng) δ_total 達(dá)到設(shè)計(jì)允許極限（如跨度的1/200）時(shí)的時(shí)間。

工程中常以“10,000小時(shí)蠕變撓度不超過初始撓度的2倍”等經(jīng)驗(yàn)準(zhǔn)則作為材料選型依據(jù)。

四、影響彎曲蠕變行為的關(guān)鍵因素

1. 材料本構(gòu)特性

• 半結(jié)晶聚合物（如PP、PA）因晶區(qū)阻礙鏈段運(yùn)動，蠕變優(yōu)于無定形塑料（如PS、PC）；

• 添加玻璃纖維、碳纖維可顯著提升剛性和抗蠕變性；

• 交聯(lián)結(jié)構(gòu)（如環(huán)氧樹脂、硫化橡膠）有效抑制分子鏈滑移。

2. 環(huán)境條件

• 溫度升高10°C，蠕變速率可能增加2–3倍（遵循Arrhenius關(guān)系）；

• 高濕環(huán)境對吸濕性材料（如尼龍）會加劇塑化效應(yīng)，加速蠕變。

3. 載荷水平與應(yīng)力分布
   彎曲應(yīng)力呈梯度分布，表層應(yīng)力最大，易率先發(fā)生微屈服，導(dǎo)致非線性蠕變。

五、結(jié)語

彎曲蠕變測試不僅是材料耐久性的“時(shí)間顯微鏡”，更是連接實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)與工程可靠性的橋梁。隨著輕量化、長壽命、高可靠性需求的不斷提升，對材料在持續(xù)彎曲載荷下的抗變形能力提出更高要求。未來，結(jié)合原位監(jiān)測技術(shù)、多物理場耦合測試（熱-濕-力）及人工智能驅(qū)動的壽命預(yù)測算法，彎曲蠕變評估將更加精準(zhǔn)、高效，為先進(jìn)結(jié)構(gòu)材料的研發(fā)與應(yīng)用提供堅(jiān)實(shí)支撐。