膠材料在長期恒定應力或應變條件下會表現出蠕變與應力松弛行為，這是評價橡膠密封件、減震元件等制品長期服役性能的關鍵指標。GB/T 19242-2003《硫化橡膠在壓縮或剪切狀態下蠕變的測定》（修改采用ISO 8013:1988）是規范橡膠蠕變性能測試的核心標準，規定了在持續壓縮或剪切狀態下測定硫化橡膠蠕變性能的方法。凱爾測控試驗系統（天津）有限公司旗下的電磁式動態力學試驗系統（M系列）及原位雙軸力學試驗系統（IPBF系列）為橡膠蠕變/松弛性能測試提供了專業化解決方案。設備支持自定義試驗載荷、位移、溫度和時間，可實現-40℃至150℃寬溫域環境下的蠕變/松弛測試，并符合GB/T 19242標準要求。本文系統闡述了橡膠蠕變/松弛的基本概念、GB/T 19242標準的核心要求、測試流程以及凱爾測控設備的配置方案與技術優勢。

關鍵詞：橡膠蠕變；應力松弛；GB/T 19242；凱爾測控；電磁式動態試驗系統

一、引言

1.1 橡膠蠕變與松弛的工程意義

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

- 密封制品：O型圈、墊片等依靠初始壓縮應力實現密封，應力松弛會導致密封力下降，引發泄漏

- 減震元件：橡膠支座、懸掛部件在長期靜載下的蠕變會改變結構幾何形態，影響減震效果

- 傳動部件：橡膠皮帶、膠輥在恒定張力下的蠕變可能導致傳動失效

1.2 GB/T 19242標準的地位

GB/T 19242-2003《硫化橡膠在壓縮或剪切狀態下蠕變的測定》是專門針對橡膠材料在壓縮或剪切模式下蠕變性能的測試標準。該標準修改采用國際標準ISO 8013:1988，結合我國橡膠工業的實際情況進行了適當調整，是目前國內橡膠蠕變性能測試的主要依據。

1.3 原位測試技術的優勢

傳統蠕變測試僅關注宏觀變形數據，而凱爾測控提供的原位力學測試系統可在蠕變/松弛加載過程中同步配合光學顯微鏡、SEM等設備進行微觀觀測。這使得研究人員能夠實時追蹤橡膠分子鏈滑移、填料網絡重構等微觀機制，建立“宏觀蠕變行為-微觀結構演化"的直接關聯。

二、蠕變與應力松弛的基本概念

2.1 蠕變及其表征參數

根據GB/T 19242標準，橡膠蠕變是指在恒定作用力和恒定溫度下，試樣應變隨時間逐漸增加的現象。標準定義了以下關鍵參數：

2.2 蠕變曲線的典型特征

橡膠蠕變曲線通常呈現三個階段：

1. 初始蠕變階段（瞬態蠕變）：應變速率逐漸減小

2. 穩態蠕變階段：應變隨時間近似線性增加

3. 加速蠕變階段（接近破壞時）：應變速率急劇增加直至破壞

對于大多數工程應用，關注的重點是穩態蠕變階段的蠕變速率和給定時間點（如24h、168h、1000h）的蠕變增量。

2.3 蠕變與應力松弛的關系

蠕變和應力松弛是橡膠粘彈性的兩種表現形式：

- 蠕變：應力恒定，應變隨時間增加

- 應力松弛：應變恒定，應力隨時間衰減

兩者在物理本質上具有關聯性，可通過Boltzmann疊加原理和松弛譜進行轉換。GB/T 19242專注于壓縮或剪切狀態下的蠕變測定，而橡膠的應力松弛測試則依據GB/T 9871（拉伸）和GB/T 1685（壓縮）。

三、GB/T 19242標準解讀

3.1 標準適用范圍

GB/T 19242規定了硫化橡膠在持續壓縮或持續剪切狀態下測定蠕變的方法。該標準適用于評估橡膠材料在恒定載荷下的尺寸穩定性，但不適用于橡膠間斷變形的試驗。

3.2 規范性引用文件

標準實施過程中需配套使用以下文件：

- GB/T 2941：橡膠試樣環境調節和試驗的標準溫度、濕度及時間

- GB/T 5723：硫化橡膠試驗用試樣和制品尺寸的測定

- GB/T 7759：硫化橡膠在常溫、高溫和低溫下壓縮變形的測定

- 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溫度通則

3.3 試樣類型與制備

標準涵蓋兩種加載模式，對應不同的試樣形式：

（1）壓縮蠕變試樣

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

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

- 試樣的高度應使用厚度計在圓周上測量3~4個點，取中位數

（2）剪切蠕變試樣

- 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 試驗條件要求

3.5 試驗程序

標準規定的蠕變測試流程如下：

1. 測量試樣初始尺寸：精確至0.01mm

2. 安裝試樣：確保試樣與壓板/剪切夾具對中

3. 施加預載荷：通常為最終載荷的1%~5%，以消除間隙

4. 加載：在1~2秒內施加至規定恒定載荷

5. 記錄初始變形：加載后立即（通常1秒內）記錄初始應變

6. 持續記錄：在規定時間點（如1min、10min、30min、1h、2h、4h、8h、24h、72h、168h、1000h）記錄應變值

7. 數據處理：計算蠕變增量、蠕變指數等參數

3.6 結果表達

蠕變測試結果應包含以下信息：

- 施加的恒定應力值（MPa）

- 試驗溫度（℃）

- 蠕變-時間曲線（建議采用對數時間坐標）

- 規定時間點的蠕變增量（如24h蠕變、168h蠕變）

- 蠕變指數（如適用）

- 試樣數量（建議不少于3個）及統計值（中位數或平均值）

四、凱爾測控設備方案

4.1 適用設備系列概覽

凱爾測控試驗系統（天津）有限公司提供多款適用于橡膠蠕變/松弛性能測試的設備：

4.2 M系列電磁式動態試驗系統

M系列以電磁式電機為作動核心，區別于傳統的伺服液壓或機電式系統，具有以下顯著優勢：

- 無油、無密封、免維護：消除了液壓系統的油污污染，適合潔凈實驗室環境

- 高響應頻率：雖然蠕變測試是準靜態的，但M系列寬頻率范圍（0.001-100Hz）使其兼具蠕變和動態疲勞測試能力

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

M-3000型號典型參數：

參數 | 規格 |

動態峰值載荷 | 3000N |

最大靜態載荷 | 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）|

最小頻率 | 0.001Hz（滿足蠕變測試要求）|

最大頻率 | 100Hz |

4.3 IPBF系列原位雙軸試驗系統

IPBF（In-situ Planar Biaxial Fatigue）系列的核心創新在于原位加載技術：兩個作動軸均采用對稱加載設計，確保試樣中心點位置在整個測試過程中保持不變。這一特性對于配合顯微鏡進行微觀觀測至關重要——研究人員可在蠕變過程中持續追蹤橡膠填料網絡重排、微孔演化等微觀現象。

IPBF-300關鍵參數：

參數 | 規格 |

最大額定載荷 | 300N |

載荷測量精度 | 優于示值±0.5%（或滿量程±0.05%）|

位移分辨力 | 0.1μm |

加載速率 | 5μm/s~1mm/s |

作動行程 | 30mm~120mm |

頻率范圍 | 0.001Hz~1Hz |

4.4 蠕變/松弛測試專用配置

凱爾測控設備針對橡膠蠕變測試提供以下專用配置：

（1）標準壓縮夾具

- 適用于圓柱形標準試樣的單軸壓縮、壓縮蠕變、壓縮應力松弛試驗

- 上壓板采用自對中設計，確保載荷均勻分布

- 可選配溫度傳感器，實時監測試樣表面和內部溫度變化

（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-金屬復合試樣的剪切蠕變測試

（3）高低溫環境箱（選配）

- 型號：EBM-01型高低溫濕度環境箱

- 溫度范圍：-190℃~350℃（擴展），常規蠕變測試常用-40℃~150℃

- 濕度范圍：20~98%R.H

- 滿足GB/T 19242對高低溫蠕變測試的環境要求

（4）非接觸式視頻引伸計

- 橡膠蠕變測試中，傳統接觸式引伸計可能因試樣變形而滑脫

- 視頻引伸計通過光學追蹤標記點計算應變，精度高、無接觸干擾

- 可選二維（NDDS-02）或三維（NDDS-04）DIC系統

4.5 軟件功能

凱爾測控配備的CARE TestStudio多軸材料力學測試軟件支持：

- 自定義試驗載荷、位移、溫度和時間：可設置多步蠕變/松弛試驗序列

- 長時間數據記錄：支持數千小時的連續測試與數據存儲

- 實時曲線顯示：力-時間、應變-時間、溫度-時間曲線同步顯示

- 數據處理：自動計算蠕變增量、蠕變指數、松弛率等參數

- 符合標準報告輸出：一鍵生成符合GB/T 19242的測試報告

五、測試流程與操作要點

5.1 壓縮蠕變測試標準流程

依據GB/T 19242及凱爾測控設備操作規范，壓縮蠕變測試流程如下：

5.2 應力松弛測試要點

雖然GB/T 19242主要針對蠕變，但凱爾測控設備同樣支持應力松弛測試（依據GB/T 9871或GB/T 1685）：

1. 以恒定速率將試樣壓縮/拉伸至設定應變

2. 保持應變恒定

3. 連續記錄應力隨時間衰減曲線

4. 計算松弛率或規定時間點的剩余應力百分比

5.3 環境條件控制

溫度對橡膠蠕變行為影響顯著，GB/T 19242及凱爾測控設備對環境控制提出明確要求：

- 溫度穩定性：±1℃（高溫試驗）、±2℃（標準溫度試驗）

- 溫度測量：應在試樣附近至少布置一個溫度傳感器

- 升溫速率：建議不超過3℃/min，避免熱沖擊影響材料性能

- 保溫時間：達到設定溫度后至少保溫30分鐘再開始加載

5.4 數據采集策略

蠕變測試時間長（數小時至數千小時），合理設置數據采集間隔至關重要：

- 初期（0-1小時）：高密度采集，如每秒1次或每分鐘1次

- 中期（1-24小時）：中等密度采集，如每10分鐘1次

- 長期（24小時以上）：低密度采集，如每小時1次或每24小時1次

六、典型應用案例

6.1 橡膠密封材料壓縮蠕變評價

研究對象：三元乙丙橡膠（EPDM）密封條

試驗條件：壓縮蠕變，溫度70℃，壓縮應力1.0MPa

設備配置：M-3000電磁式動態試驗系統 + 高溫環境箱（70℃）+ 標準壓縮夾具

測試時長：168小時（7天）

關鍵結果：

- 24h蠕變增量：12.5%

- 168h蠕變增量：18.3%

- 穩態蠕變速率：0.035%/h（24h后）

工程意義：預測密封件在長期服役后的壓縮變形，評估密封壽命

6.2 橡膠減震墊應力松弛測試

研究對象：天然橡膠（NR）減震墊

試驗條件：壓縮應力松弛，恒定壓縮應變25%，溫度23℃

設備配置：IPBF-300原位雙軸系統 + 光學顯微鏡

特色功能：原位觀測橡膠發泡孔結構在應力松弛過程中的塌陷行為

關鍵結果：

- 初始應力：2.8MPa

- 24h剩余應力：1.9MPa（松弛率32%）

- 168h剩余應力：1.5MPa（松弛率46%）

6.3 原位蠕變微觀機制研究

研究目標：揭示炭黑填充橡膠蠕變過程中的填料網絡演化

設備配置：IPBF-300 + SEM（掃描電子顯微鏡）

關鍵技術：對稱加載確保試樣中心固定，SEM可在蠕變過程中持續追蹤同一區域

科學發現：蠕變初期填料團聚體發生旋轉和重排，宏觀上表現為高蠕變速率；蠕變后期填料網絡趨于穩定，蠕變速率降低

七、總結

橡膠材料的蠕變與應力松弛行為是評價其長期服役性能的關鍵指標，GB/T 19242-2003標準為壓縮和剪切狀態下的蠕變測定提供了系統規范。凱爾測控試驗系統（天津）有限公司的電磁式動態力學試驗系統（M系列）及原位雙軸力學試驗系統（IPBF系列）為橡膠蠕變/松弛性能測試提供了專業化的硬件平臺：

1. 標準符合性：設備支持自定義試驗載荷、位移、溫度和時間，符合GB/T 19242測試要求

2. 寬溫域環境：可選配-190℃~350℃環境箱，滿足GB/T 19242對高低溫蠕變測試的要求

3. 高精度控制：載荷精度優于±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量

4. 原位觀測能力：IPBF系列對稱加載設計使試樣中心固定，可配合顯微鏡實時追蹤蠕變過程中的微觀結構演化

5. 一機多用：除蠕變/松弛測試外，還可完成拉伸、壓縮、疲勞、DMA等多種力學測試

對于從事橡膠材料研發、密封制品質量控制和粘彈性力學機理研究的用戶，凱爾測控的電磁式動態試驗系統及原位雙軸系統是進行橡膠蠕變/松弛性能測試的可靠技術選項。

利益沖突聲明：本文僅基于公開資料對凱爾測控產品進行技術性介紹，不構成任何商業推薦。

參考文獻

[1] GB/T 19242-2003, 硫化橡膠在壓縮或剪切狀態下蠕變的測定[S].

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

[3] 凱爾測控試驗系統（天津）有限公司. 原位雙軸力學試驗設備（IPBF-300）產品資料[Z].

[4] 凱爾測控試驗系統（天津）有限公司. 電磁式動態力學試驗系統（M系列）產品資料[Z].

[5] 凱爾測控試驗系統（天津）有限公司. 橡膠中力學性能測試檢測方案[Z].

[6] 凱爾測控試驗系統（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定技術文章[Z].

[7] GB/T 9871-2008, 硫化橡膠或熱塑性橡膠老化性能的測定 拉伸應力松弛試驗[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力松弛的測定[S].