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一、残余应力的定义与分类 1. 基本定义 注塑件残余应力是指成型过程中由于非均匀热力学过程导致的，在脱模后仍存在于制品内部的自平衡应力体系。其本质是材料内部能量未完全释放的体现，根据ISO 10724标准，残余应力需满足∑σ_ij = 0的空间自平衡条件。 2. 分类体系 (1) 按空间分布： - 体积应力：贯穿制品整体的三维应力场（典型值5-40 MPa） - 表面应力：表层0.1-0.5mm范围的压缩/拉伸应力（可达80 MPa） (2) 按产生机理： - 加工应力：流动剪切引起的分子取向应力 - 热应力：温差导致的收缩差异应力 - 相变应力：结晶/玻璃化转变产生的体积突变应力 二、残余应力形成机理 1. 非均匀冷却机制 (1) 温度梯度效应：模腔表面与芯层温差可达80-150℃，导致外层先固化收缩，形成"表皮-芯层"应力双极结构 (2) 冻结层演化：冷却速率差异使表层形成压缩应力（约-20 MPa），芯层产生拉伸应力（约+15 MPa） 2. 流动诱导取向 (1) 分子链拉伸：高剪切速率下（>10^3 s^-1）分子链沿流动方向拉伸取向，脱模后发生熵弹性回缩 (2) 纤维增强效应：玻纤填充材料取向度可达60-80%，造成各向异性收缩（平行/垂直方向收缩差0.2-0.6%） 3. 结晶动力学影响 (1) 结晶收缩差异：半结晶材料（如PP、POM）结晶度每提高10%，体积收缩增加0.3-0.5% (2) 二次结晶：后结晶过程在制品内部产生附加应力（典型值5-15 MPa） 三、残余应力对制品性能的影响 1. 力学性能劣化 (1) 应力开裂：残余拉应力使裂纹扩展速率提高3-5倍，ABS制品在40MPa残余应力下疲劳寿命下降60% (2) 承载能力：PC材料每增加10MPa残余应力，拉伸强度下降8-12% 2. 尺寸稳定性问题 (1) 时效变形：POM制品存放3个月后，因应力松弛导致的尺寸变化可达0.3-0.8% (2) 环境敏感性：尼龙66在50%RH环境下吸水膨胀，诱发应力释放变形量达1.2-1.8mm/m 3. 功能特性改变 (1) 光学性能：PMMA制品内部应力超过8MPa时，双折射率Δn>5×10^-5，影响透光均匀性 (2) 介电特性：残余应力使PET介电常数波动范围扩大15-20% 四、残余应力控制技术 1. 工艺参数优化 (1) 模温控制：将模具温度提高20℃可使PC制品表面应力降低30-40% (2) 保压策略：阶梯保压压力（80%→60%→40%）较恒压模式降低体积应力25% (3) 冷却时间：延长冷却时间至固化层厚度达壁厚80%，可减少热应力50% 2. 模具设计改进 (1) 随形冷却系统：3D打印异形水路使冷却效率提升40%，温度均匀性提高60% (2) 浇口平衡设计：采用多点浇口使流动长度比控制在1:1.2以内，取向应力差异<15% 3. 材料改性技术 (1) 成核剂添加：0.1%苯甲酸钠使PP结晶温度提高8℃，结晶应力降低25% (2) 增韧改性：POE添加量8-12%可使PS制品应力集中系数下降0.3-0.5 五、检测与消除方法 1. 检测技术 (1) 光弹性法：适用于透明材料，分辨率达0.5MPa (2) 钻孔法：ASTM E837标准方法，测量深度0.1-2mm (3) X射线衍射：可检测表面10μm深度应力，精度±5MPa 2. 后处理工艺 (1) 热退火：PC制品在Tg-20℃处理2h，应力消除率>70% (2) 溶剂熏蒸：丙酮蒸汽处理PMMA 30min，表面应力降低60-80% 如果你在注塑工艺方面刚刚起步或在注塑工艺学习深入方面需要进一步提高，增强理论指导与实践验证，请加下面图书上的微信，申请加入注塑技术研讨群，同大家一起学习成长。 |
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