工程塑胶的选材通常依据拉伸强度、弯曲模数、冲击性能及热变形温度（HDT）等指标。这些数据很有参考价值，但通常来自短时间的实验室测试。许多实际零组件的工作条件却截然不同：支架需要在数年内持续承受恒定负载，连接器长期保持锁定状态，外壳持续承受螺丝的压紧力，或者承压流体接头在高温下长期处于应力状态。
在这些应用中，最重要的问题并不是材料能否承受短时间的负载，而是零组件能否在整个设计寿命内维持其形状、刚性、密封力及组装对准精度。
这个问题主要受到蠕变的影响。蠕变是指材料在持续应力作用下随时间产生的变形。金属通常与高温蠕变联想在一起，但由于聚合物分子链仍具有一定的活动能力，塑胶即使在室温下也可能发生蠕变。当工程塑胶用于取代金属，并应用于结构件、紧固件、密封件、电气、汽车及工业领域时，理解这种行为至关重要。
什么是蠕变？
当塑胶零组件承受恒定负载时，变形通常不会在初始弹性应变产生后立即停止。零组件往往会随时间继续缓慢变形。简化的蠕变曲线通常包括三个阶段：
- 初级蠕变（Primary creep）： 变形在初期快速增加，随后随着聚合物结构对外加负载产生反应，蠕变速率逐渐降低。
- 次级蠕变（Secondary creep）： 应变继续增加，但增长速度较慢，并且近似保持稳定。这个阶段可能占据零组件工作寿命的大部分时间。
- 三级蠕变（Tertiary creep）： 由于局部损伤、缩颈、开裂或承载截面积减小，变形开始加速，最终导致破坏。
并非所有塑胶零组件都会进入三级蠕变阶段。设计合理的零组件应在整个使用寿命内将变形控制在允许范围内。因此，设计目标不仅是避免断裂。过大的变形可能在材料完全破坏之前就导致功能失效。例如，齿轮可能失去啮合精度，卡扣可能失去保持力，螺栓接合可能发生夹紧力衰减，或者密封件可能开始泄漏，而材料本身仍未发生明显的物理破坏。
蠕变、应力松弛与疲劳的区别
这三种长期行为彼此相关，但不能混为一谈。
- 蠕变（Creep）： 应力基本保持恒定，而应变随时间增加。
- 应力松弛（Stress relaxation）： 变形基本保持恒定，而材料内部的应力随时间逐渐降低。
- 疲劳（Fatigue）： 材料承受重复或波动负载，即使每个负载循环都低于短期失效强度，也可能产生裂纹。
组装后始终保持偏转状态的卡扣，主要涉及应力松弛问题，因为其变形基本固定，而保持力会逐渐下降。持续承受恒定重量的支架，主要涉及蠕变问题。旋转齿轮的齿面承受循环负载，因此需要进行疲劳评估。实际产品可能同时受到这三种机制的影响。
为什么聚合物会发生蠕变？
工程塑胶具有黏弹性。其力学反应同时包含弹性行为与黏性行为：弹性变形可以较快恢复，而黏性变形则随时间透过分子运动逐渐发展。在持续负载作用下，聚合物分子链可能发生旋转、伸展、滑移及重新排列。这些运动的自由程度取决于分子结构、温度、湿度、应力水准、添加剂、补强材料以及加工历史。
温度的影响尤其显著。随着温度升高，分子链的活动能力增强，蠕变速度也随之加快。玻璃转移温度（Tg）是一个重要的参考指标。在 Tg 以下，非晶区域相对刚硬，呈现类似玻璃的状态。当温度接近或超过 Tg 时，分子活动能力会显著增强，导致刚性大幅下降。
半结晶聚合物在温度超过 Tg 后，仍可依靠晶区提供一定支撑，但其非晶相仍会软化，长期性能也会发生变化。
因此，不能直接使用室温模数来预测引擎室支架、热水接头或长期处于高温负载下的电气零组件的性能。即使工作温度低于熔点或热变形温度，蠕变仍可能成为限制设计的主要因素。
影响蠕变的主要因素
应力水准
蠕变对施加的应力非常敏感。应力仅小幅增加，就可能导致长期应变出现不成比例的增长。因此，设计人员不应假设所有负载范围内的应力与应变关系始终保持线性。
孔洞、尖角、补强肋、螺纹、熔接线以及截面突变处的应力集中，可能导致局部蠕变，即使平均名义应力看起来仍在可接受范围内。
温度
温度升高通常会降低刚性并加快蠕变。热循环会进一步增加复杂性，因为模数、尺寸、残留应力及接触压力可能随温度反覆变化。
设计数据应涵盖实际使用温度范围，而不能只依据室温下的单一测试条件。
时间
蠕变会随时间累积，因此必须明确定义零组件的设计寿命。适用于使用十小时的治具材料，不一定适合需要连续工作十年的结构支撑件。
对于长寿命产品，应取得涵盖相关使用时间的蠕变曲线、蠕变破坏数据或经过验证的预测模型。
湿度与化学品
吸收的水分可能使某些聚合物发生塑化，尤其是聚醯胺（PA）。这可能降低刚性并增加蠕变，同时改善韧性。
燃料、油品、清洁剂、冷却液及其他化学品也可能改变材料的长期性能。如果零组件在接触液体的同时承受机械负载，仅依靠化学相容性表是不够的。
补强材料
玻璃纤维与碳纤维通常能够降低蠕变，因为纤维可以承担部分负载，并限制聚合物分子链的运动。纤维长度、取向、纤维与树脂之间的介面结合以及纤维分布都非常重要。
射出成型的纤维补强零组件具有异向性：沿主要纤维方向的抗蠕变能力通常优于垂直于该方向的性能。
例如，巴斯夫（BASF）关于长玻纤补强聚醯胺的技术资料指出，与相近的短纤维补强材料相比，长玻纤材料具有较低的蠕变，在高温及潮湿环境下也具有这项优势。
零组件几何形状与加工制程
壁厚、熔体流动方向、熔接线、孔隙、残留应力、结晶度及冷却速率都会影响抗蠕变性能。
加工不当的高性能树脂，其表现可能不如加工规范的低成本材料。因此，长期设计需要材料供应商、射出成型加工商、模拟工程师及产品设计人员之间的协作。
如何测量蠕变
在典型的拉伸蠕变试验中，试片在受控温度及湿度条件下承受恒定应力，并记录应变随时间的变化。在多个应力水准下进行测试，可以得到一组蠕变曲线。
蠕变破坏试验则持续进行，直到试片发生破坏，并记录其破坏时间。
另一个重要的设计参数是蠕变模数：
其中：
- ：时间 t对应的蠕变模数
- ：恒定应力
- ：时间 t对应的应变
由于应变随时间增加，蠕变模数会逐渐降低。塞拉尼斯（Celanese）针对缩醛共聚物的设计指南建议，在评估持续负载时，可在传统弹性计算公式中使用蠕变模数取代短期拉伸模数或弯曲模数。
在材料数据与实际应力、温度、湿度及使用时间相符的前提下，这是一种将熟悉的工程计算方法应用于时间相关变形问题的实用方式。
等时应力—应变曲线也具有重要价值。与绘制应变随时间变化的曲线不同，这类曲线显示材料在特定时间点的应力—应变关系，例如一小时、1,000 小时及 10,000 小时。
透过这些曲线，设计人员可以估算在规定使用时间内，将应变限制在允许范围所对应的应力水准。
为什么短期数据表参数不足以用于长期设计？
一个常见错误是将拉伸强度除以安全系数，然后把结果直接作为长期许用应力。拉伸强度反映的是材料在短时间试验中达到破坏时的承载能力，并不能描述材料在多年持续负载下的变形情况。
同样地，热变形温度是在规定实验条件下测得的，不能直接视为连续使用温度，也不能保证材料不会发生蠕变。
正确的数据选择应以具体应用为依据：
- 使用蠕变曲线评估长期变形。
- 当持续负载下存在断裂风险时，使用蠕变破坏曲线。
- 对卡扣、弹簧、密封件及受压接合结构，使用应力松弛数据。
- 对重复负载，使用疲劳数据。
- 当材料受到热、湿气、紫外线或化学品影响时，使用老化数据。
如果供应商没有提供足够的数据，可能需要在具有代表性但经过加速的条件下进行零组件试验。
提高塑胶零组件抗蠕变能力的设计方法
降低持续应力
增加承载面积、缩短无支撑跨距、合理设置补强肋，或透过多个结构特征分配负载。避免尖角及壁厚的突然变化。目标是同时降低名义应力与局部应力集中。
依据应变限值进行设计
对于许多塑胶零组件，长期允许应变比单纯采用极限强度的一定比例更有意义。允许值取决于零组件的功能。
外观外壳可能允许一定程度的可见变形，但对精密齿轮、光学支架、电气端子或密封表面而言，相同的变形可能完全无法接受。
利用结构设计，避免长期维持过大变形
塑胶弹簧与卡扣不应在非必要情况下长期维持高应变状态。
卡扣可以设计为组装后允许少量回弹，同时仍保持机械啮合。限位结构、倒扣及机械锁定机构可以在接触力下降时继续维持功能。
控制紧固件负载
螺丝头下方的塑胶可能发生蠕变，导致夹紧力下降。金属压缩限位套、垫圈、模内嵌件、轴肩螺丝以及受控的锁付扭矩，可以保护聚合物免受过大的压缩应力。
螺丝柱的几何形状应合理分配负载，并避免产生导致开裂的劈裂应力。
选择合适的材料牌号
POM、PBT、PPS 及补强聚醯胺等半结晶聚合物通常具有良好的抗蠕变潜力，但实际表现会因材料牌号及使用环境而显著不同。
较高的玻璃转移温度、更强的分子间作用力、更高的结晶度以及纤维补强，均可能提高长期刚性。
最佳材料并不一定是室温拉伸强度最高的材料，而是经过验证、能够满足实际负载、温度、湿度、化学环境及加工条件组合要求的材料牌号。
验证射出成型零组件的性能
有限元素分析（FEA）可以结合非线性黏弹性材料模型、纤维取向及温度相关性能。
但是，模拟的准确性取决于输入数据的品质以及模型校准的可靠性。因此，实体测试仍然非常重要，尤其是在熔接线、嵌件、组装特征以及复杂多轴应力状态区域。
实际应用范例
考虑一个需要在高压及高温条件下工作的冷却液接头。其短期爆破强度可能非常出色，但随着时间推移，接头直径缓慢增加，可能导致密封压力下降。
设计人员需要长期压力数据、温度数据及化学老化数据。
同样地，螺丝下方的塑胶发生蠕变可能降低夹紧力。使用金属压缩限位套，可以透过更稳定的负载传递路径承受锁付力。
这些例子表明，蠕变是树脂材料、零组件几何形状、使用环境、制造制程及时间共同作用的结果。
结论
蠕变是工程塑胶设计与金属设计之间最重要的差异之一。塑胶零组件即使通过所有短期强度测试，仍可能因逐渐变形或负载保持能力下降而发生功能失效。
可靠的设计应首先明确定义实际负载、温度、使用环境、允许应变及设计寿命。接着，应采用与时间相关的材料数据、合理的结构设计、受控的组装负载，以及能够代表实际使用条件的验证方法。
核心原则很简单：设计塑胶时，不仅要考虑强度，更要考虑时间。
如果在设计初期就充分考虑蠕变，工程塑胶便能在各种严苛应用中提供耐久、轻量化、耐腐蚀且具有成本效益的零组件。
