应力松弛实验

黄远红等研究了温度、湿度、初始应变量对娃橡胶泡沫材料应力松弛过程的影响。谢邦互等利用时温等效原理，通过平移叠加方式将硬质聚氯己妇材料各温度下的屈服强度与拉伸速率倒数的关系曲线转换为相应的主曲线，并以此评价了该材料的长期耐压行为。除此之外，研究人员还针对不同材料进行了应为松弛模型相关研究：王必勤等采用四元件Maxwell模型，成功对不同密度EPDM发泡材料应力松弛过程进行拟合，结果发现泡沫材料的松弛时间与表观强度与其发泡水平有关。陈艳等借助于分数阶Maxwell模型拟合了PTFE材料的松弛模量。常鹏鹏等利用二阶指数衰减函数对GH4169的合金不同温度应力松弛实验数据展开拟合，并分别求得其材料常数。肖五柱等以Norton蠕变法则为基础，提出实验手段确定材料应力松弛参数的两种思路。第一种方法是通过单次松弛实验直接求得材料应力指数，第二种方法利用多条应力松弛曲线获取材料应力指数。杨忠慧等在kowalewski蠕变模型基础上确立了7055铅合金蠕变时效模型，并利用遗传算法对其材料参数进行求解。郭进全等采用实验方法研究了国产螺栓材料应力松弛过程与温度以及初始载荷的关系，并分别采用Hook-Norton，广义Maxwell，Logistic等模型试图对其进行描述 。

如今，越来越多研究人员认为蠕变和应力松弛之间存在某种联系。蠕变是应力一定情况下，应变缓慢増加的过程，应力松弛现象可以看成是从高到低不同应力水平下的蠕变，应力松弛的第一部分和第二部分分别对应于蠕变过程的初始蠕变和稳态妇变。建立蠕变和应力松弛的转换模型，不仅可降低蠕变和松弛实验的时间成本，用易测量的材料形变代替不易测量的材料内部应力，还可用材料的蠕变实验数据直接推导出应为松弛特性.。

以往对气管软骨力学特性研究多以动物气管软骨和一维拉伸实验居多，对人气管软骨应力松弛粘弹性力学特性研究较少。生物材料的粘弹性主要以应力松弛蠕变为表现形式，应力松弛是软组织在恒应变作用下，对载荷松弛适应性的反应，虽然机制尚不清楚，但气管软骨的应力松弛力学特性对于认识吻合口张力，确定气管损伤后的张力临界点具有重要意义。

气管由于炎症、肿瘤、损伤等疾患需要进行气道再建，现代呼吸道(气道)外科手术对气管病变不超过1/2程度，可切除病变部位气管后直接缝合吻接，修复和重建气管的功能。当气管切除超过其直接的吻合长度，则需要置换人工气管。鉴于临床实际需要，孙长江等对正常国人尸体气管软骨进行了应力松弛实验，得出了气管软骨7200s应力松弛量，得出了应力松弛曲线和归一化应力松弛函数曲线。以一元线性回归分析的方法处理实验数据，得出了应力松弛函数方程。研究以制备的显影聚合物有机溶液作为栓塞材料进行体外模拟实验，筛选最佳条件为下一步的动物试验和临床试验提供了依据，筛选出的最佳条件为:聚合物浓度4%，推注速度为0.10ml/min，完全栓塞时及时停止推注。该工作也体现出本显影聚合物可以达到栓塞的目的，可作为一种新的非粘附性液体栓塞材料使用 。2100433B

应力松弛现象普遍存在，在保持位移或应变一定的前提下，表现为弹性材料内部应力随时间缓慢衰减，与初始应变、温度和时间有关。有些文献也把这种现象叫做弹性衰退，以另外一个视角表述了应力松弛的概念。两者之间既彼此区别又相互联系，应力松弛强调当应变一定时，应力随着时间累积缓慢下降，弹性衰退重点指的是弹性变形能降低，二者都有一些物理量与时间相关。

研究应力松弛机理不仅需要考察材料的微观组织结构变化，同时还要探究其热力学和动力学原理及其影响因素。热力学主要从能量转化的角度来考察物质的热性质，揭示能量从一种形式转换到另一种形式遵循的规律，从热力学的角度分析应力松弛，就是研究其能量条件、发展动力及发展方向。苏德达研究认为，金属材料应力松弛的本质就是一种不稳定态向稳定态发生的转变。动力学主要研究为与运动的关系，即应力松弛速率和应力松弛水平 。

应力松弛试验是材料机械性能试验的一种。应力松弛现象在室温下进行得很慢，但随着温度的升高就变得很显著，故在机械设计中必须加以重视。

应力松弛试验一般采用圆柱形试样，在一定的温度下进行拉伸加载，以后随着时间的推移，由自动减载机构卸掉部分载荷以保持总变形量不变，测定应力随时间的降低值，即可绘出松弛曲线。也可以采用具有等强度半圆环的环形试样进行松弛试验，测定环形试样缺口处宽度的变化来计算应力降低的数值并画出松弛曲线。

以压力和时间t为坐标的应力松弛曲线可分为两个部分，分别代表两个不同的松弛阶段。在第Ⅰ阶段内，应力随时间的增长而急剧降低；在第Ⅱ阶段内，降低的速度减慢，最后趋于稳定。半对数坐标 (lgσ-t)的应力松弛曲线中，第Ⅱ阶段呈线性关系，因此可用以进行外推，即由较短时间的试验外推求得较长时间后的剩余应力。

受相同的试验温度和初应力F，经相同的时间后，如剩余应力越高，则材料的抗松弛性能越好。高温工作中的零件由于存在应力松弛，会不同程度地丧失弹性和紧固作用。因此对用于高温的紧固件如弹簧、螺栓等的材料，需要测定松弛性能。

材料在高温使用时，有时要使总应变保持不变。在高温保证总应变不变的情况下，会发生应力随着时间延长逐渐降低的现象．该现象叫应力松弛(stress relaxation)，如图1所示。例如，高温条件工作的紧固螺栓和弹簧会发生应力松弛现象。

材料的总应变ε包括弹性应变ε_e和塑性应变ε_p，即ε=ε_e ε_p=常数。

随着时间增长，一部分弹性变形逐步转变为塑性变形，材料受到的应力相应地逐渐降低。ε_e的减小与ε_p的增加是同时等量产生的。

蠕变与应力松弛在本质上相同，可以把应力松弛看作是应力不断降低的“多级”蠕变。蠕变抗力高的材料，其抵抗应力松弛的能力也高。但是，目前使用蠕变数据来估算应力松弛数据还是很困难的。某些材料即使在室温下也会发生非常缓慢的应力松弛现象，在高温下这种现象更加明显。松弛现象在工业设备的零件中是较为普遍存在的。例如，高温管道接头螺栓需定期拧紧，以免因应力松弛而发生泄漏事故。

应力松弛是在应变恒定时，应力随时间的推移而逐渐衰减的现象。

加载数学表达式：

响应数学表达式：

式中：H为Heaviside函数；Y为松弛模量，即单位应变作用下 t 时刻应力值。

如图2所示，在t₀~t₁时间内，ε=ε₀应力作用下，应力从σ₀减少到σ₁，材料发生应力松弛现象；在t=t₁时，卸载为ε=0，应力发生突变，在σ₁发生瞬时回弹到σ₂；在t >t₁ 时，材料应力逐渐消除，随着时间的变化逐渐趋近于零，该现象为应力消除。