塑料件的密封失效分析

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塑料件的密封失效分析　　塑料件失效分析
　　由于构成的分子和结构不同，塑料与金属材料性能差异很大。金属件的设计较为容易，因为金属材料与其制品的性能相差很少。金属零件的功能和性能可较准确地计算和预测。塑料件的设计和试验测试必须考虑三个主要特点。
" n; H: E8 f9 j9 n1 S　　(1) 负载　作用于塑料件的负载有拉伸、压缩、弯曲、剪切和扭转五种基本类型和它们的组合。金属件的力学计算以强度为主。在精密机械设计时才较多考虑刚度问题。塑料件的力学分析计算以刚度计算为主。普通塑料的弹性模量是钢材的(50〜100)分之一。塑料结构件在负载下容易产生塑性变形;在大多数场合因变形过大而丧失工作能力。另一方面,塑料的各种加工方法都要求塑件壁厚不能过厚。塑料件设计者追求薄壁组合的形体,以结构设计来提高塑件的刚性。
1 h+ ]) Q9 \2 n. I! c3 A/ p2 E　　塑料的负载校核计算有短期和长期的区分。塑料件在恒定负载下蠕变和在恒定变形下的应力松弛，在5年、10年或15年的使用期限下是很明显的。塑料件在周期性交变载荷下,不但有疲劳破坏、冲击疲劳破坏,还有应变滞后热的生成。塑料件对负载施加的速率很敏感，有特殊的抗冲击性能。
8 U; ]9 Y6 h" b5 S( V1 h" _　　(2) 温度　比起金属件，塑料件是对环境温度很敏感的材料。塑料的热变形温度和低温脆化温度限制了塑料件的工作温度。各种塑料件的工作温度范围较小。塑料件的屈服应力和弹性模量等力学性能随温度升高而下降。塑料件的电绝缘性能和耐化学腐蚀性能等也会随温度提高而丧失。
1 h& `1 r/ E) U　　(3) 时间　在长时期的应力与应变作用下，塑料有蠕变和松弛行为。塑料的力学性能是时间的函数、塑料材料的弹性模量随时间增长而降低。粘弹性在塑料件的设计和应用中必须考虑。另一方面，塑料件在长期使用中，会逐渐老化而失效。热、光、氧、化学介质，气体和液体会使塑料塑化、降解、脆化、渗透、溶胀、变色、脱粘和开裂。有随时间增长而缓慢恶化的过程。
　　对于不同用途的塑料件，各有其行业的实用性试验标准和指标。实用性试验(Performance　test)与塑料材料试验有相同的原理，但注重考察塑料件结构对变形和破裂的阻抗能力;考察塑料件在工作环境下长时期的功能和性能变化。例如塑料管的环境应力裂缝试验，要从挤出的塑料管中截取试样，并采用模拟环境的“加速试验”方法。
　　塑料件的性能与其制造材料的性能有很大差距。这是由于材料性能测试试样和环境条件的局限性;由于塑料件对负载响应的特殊性，对温度、时间、形状和尺寸的敏感性;也由于塑料件的加工经历使材料损失了一次性能所造成。因此在塑料件的设计过程中，必须进行失效分析来预测失效形式和寿命,以保证使用期内功能和性能满足要求。塑料制品的多样性，工作条件和环境的复杂多变,使塑料件的失效形式众多。需要正确确定起决定作用的一个或几个主要失效形式，对其进行理论计算和实验预测。下面陈述几种常见的失效形式，供分析时参考。
　　(1) 屈服失效　屈服点是塑性变形的起点。剪切屈服和银纹屈服是塑料件破坏的先兆。短时静态负载作用的塑料件，以一定的安全系数,用屈服点以下的许用应变或允许应力，作为塑件上危险截面的极限应变或极限应力。
　　(2) 蠕变和松弛失效　负载长期作用的塑料件产生过大的蠕变形变，最终会导致蠕变断裂。蠕变塑料件材料的弹性模量称蠕变模量或表观模量,随着时间增长而下降。用蠕变模量计算塑件上最大的变形量，应该小于塑件工作寿命期的极限变形量。压力装配的连接件和有预应力的密封件，应力松弛会使连接松动,密封失效。
3 f0 e6 M" U+ H3 D　　(3) 冲击失效　冲击下塑料件的形变和断裂是常见失效形式。冲击负载的作用时间极短,塑件的变形速率很高。材料、取向、缺口、温度和冲击速度都影响着塑料件的冲击性能。脆性聚合物与弹塑性聚合物及其复合塑料，有不同的冲击断裂机理;聚合物在低温和高速变形下有独特的冲击断裂特征。理论预测各种塑料件冲击玻坏是困难的。塑料件的破坏性冲击性能测试是常用的。
) A/ h+ T6 D: _　　(4) 疲劳失效　长期的交变应力作用下，疲劳裂纹的生成和扩展导致塑料件最终断裂。各种塑料的抗疲劳性能有较大差异。疲劳破坏是塑料齿轮和传动带等传动零件及交通工具上受振塑料件的失效形式。使塑料件疲劳玻坏的交变栽荷的作用频率在10Hz以下，过高的频率会产生力学致热的失效。
1 ?  o$ j; ^4 i) T6 J0 w　　(5) 力学致热　在振动负载的作用下，塑料响应的滞后使一部分能量以热的形式被耗散。单位时间产生的热量与振动频率、应变幅和损耗角正切成正比。一旦塑料件的工作系统失去热平衡,塑料件会热软化失效。
/ e2 N7 E: r0 H  c9 m* b　　(6) 环境失效　气体和液体对塑料件的渗透、扩散和溶解,会使整体力学性能劣化，并引发环境应力裂缝。化学介质、热、光和氧的环境导致塑料件逐渐变质老化，缩短了使用寿命。
2 ^8 Q. l$ b0 P9 m7 l　　(7) 摩擦与磨损　摩擦使运动塑料件的工作能量有损失，导致塑件表面材料的损失和损伤。磨损破坏了塑件摩擦表面的性能、形状和尺寸精度。伴随产生的塑性变形,热软化和热熔化,裂纹和撕裂,使塑料件过早丧失表面接触运动的功能。
$ G5 {; v! @; D6 y( m7 e" `　　(8) 成型加工形成的损伤　熔合缝是模塑成型塑料件的重要的缺陷,造成了塑件与原材料的力学性能的差距。模塑成型制品的取向、残余应力和收缩,影响塑件的内部和表面质量、形状和尺寸精度。以上两类损伤形成了塑料件材质的弱点和缺陷,也是上述各种失效产生和加剧的内在原因。