环境应力开裂
要点速览
- ESC 需要应力与化学介质同时存在——单独任何一项都不会导致失效。
- 它被广泛认为是塑料零件在使用中失效的最大单一原因。
- 该介质不必对聚合物产生化学侵蚀。许多介质对无应力的零件是无害的。
- 非晶态聚合物最容易受影响，聚碳酸酯和 ABS 尤为突出。
环境应力开裂
环境应力开裂（ESC）是聚合物在机械应力与化学介质接触的共同作用下发生的脆性失效，而这种应力水平和化学浓度单独存在时都是无害的。这种失效是物理性的而非化学性的：聚合物并未发生明显降解，而这恰恰是它常让人措手不及的原因。
介质渗入聚合物表面，使受应力区域增塑，降低局部的抗银纹能力。银纹形成后合并成裂纹，即使材料名义上是韧性的，零件也会以脆性方式失效。对失效零件的分析常显示聚合物完全符合规格，这就是 ESC 失效总是被反复误判为材料缺陷的原因。
三项必要条件
| 必要条件 | 来源 | 降低方法 |
|---|---|---|
| 拉伸应力 | 使用中施加的载荷、模塑残余应力、压配合、卡扣配合和过度拧紧的紧固件造成的装配应变，或热膨胀不匹配 | 退火、浇口与冷却优化、较大的圆角半径、在接头处设计柔性余量 |
| 化学介质 | 清洁液、润滑剂、油墨、胶粘剂、从相邻部件迁移出的增塑剂、防晒霜、食品、消毒剂 | 对零件实际会接触的所有物质进行材料与介质相容性筛查 |
| 敏感的聚合物 | 以非晶态聚合物最为突出；半结晶聚合物耐受性更强，但并非免疫 | 更换材料，或采用同一聚合物的更高分子量牌号 |
去掉三者中的任何一项，失效都不会发生。这是所有预防策略的实际基础，而且通常从应力入手成本最低。
各类聚合物的敏感性
| 聚合物 | 敏感性 | 常见诱发介质 |
|---|---|---|
| 聚碳酸酯 | 高 | 许多溶剂、某些油墨和胶粘剂、特定清洁剂、某些润滑脂 |
| ABS | 高 | 包括异丙醇在内的醇类、酮类、许多溶剂 |
| 亚克力（PMMA） | 高 | 醇类、溶剂、某些清洁产品 |
| 聚苯乙烯 | 高 | 多种有机物；是常用材料中最敏感的之一 |
| 聚乙烯 | 中等——历史上的经典案例 | 洗涤剂和表面活性剂；正是这种失效模式催生了最初的 ESCR 测试方法 |
| 聚丙烯 | 较低 | 某些溶剂在高温下 |
| PPS、PEEK 及高温芳香族材料 | 低 | 高度耐受；这也是它们被指定选用的部分原因 |
为什么它对装饰和标记至关重要
ESC 恰恰在成型之后的各道工序中，是一种反复出现却未被充分认识的风险，因为这些工序同时引入了应力和化学介质：
- 激光打标会在模塑残余应力之上叠加局部热应力。在聚碳酸酯和亚克力上，银纹可能在打标数小时或数天后才出现，而不是立即出现——因此在设备旁通过检验的零件，可能在下一班次失效。
- 油墨、胶粘剂、底漆及其溶剂是直接施加在受应力表面上的化学介质。十字划格附着力测试合格，并不能说明油墨在使用中是否会引发开裂。
- 装饰前的清洁步骤经常是罪魁祸首。异丙醇是粘接前的标准擦拭剂，同时也是 ABS 和亚克力的著名 ESC 介质。
- 在浇口、熔接线或加强筋根部上方打标，会把热输入恰好放在残余应力集中的位置。
- 装配应变使之雪上加霜。一个装饰时没有问题的零件，在卡扣装配或拧紧固定后可能开裂，因为装配提供了缺少的那部分应力。
预防与测试
- 降低残余应力。在应用需要时进行退火，优化浇口位置和冷却，并避免尖锐的内角。这通常是三种手段中成本最低的一种。
- 筛查零件将接触的每一种化学品——不仅是预期的那些，还包括清洁剂、护手霜、润滑剂以及从相邻部件迁移出来的增塑剂。
- 应在受应力状态下测试，而不是在平坦的试片上。这是最常见的单一测试错误。弯曲条和椭圆夹具方法在化学暴露期间施加已知的应变，这是让相互作用显现出来的唯一途径。ASTM D543 涉及耐化学性，ASTM D1693 是经典的聚乙烯 ESCR 方法。
- 在工艺开发期间使用溶剂应力测试来揭示残余应力——受控暴露可使应力集中在造成现场失效之前就以银纹形式显现出来。
- 延迟后再检验。在评定中加入 24 小时或更长时间的复检，因为银纹往往在零件离开工作单元之后才发展出来。
识别 ESC 失效
| 证据 | 它指向什么 |
|---|---|
| 在本应为韧性的材料中出现脆性断裂 | 标志性的观察结果。韧性聚合物在未屈服的情况下失效是第一个指示。 |
| 断裂起源附近有多处银纹 | 银纹是前兆机理；它的存在使 ESC 有别于单纯的过载。 |
| 裂纹起源于浇口、熔接线或加强筋根部 | 残余应力集中提供了必要条件中的机械部分。 |
| 在远低于设计极限的载荷下失效 | 提示是化学因素的作用，而非载荷计算错误。 |
| 材料测试完全符合规格 | 这是 ESC 的特征，也是它常被错误归因的原因。 |
| 失效集中出现在清洁或装配变更之后 | 新的介质或新的应变凑齐了这一组合。变更历史往往是找到原因的最快途径。 |
| 裂纹垂直于应力方向 | 与拉伸应力引发的银纹相符，而非冲击或疲劳。 |
调查时，切勿仅凭材料测试就下结论。ESC 调查必须同时重建应力状态和化学暴露历史，因为单看材料数据不会有任何异常。
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在生产中的应用
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常见问题
什么原因导致环境应力开裂？
在敏感的聚合物中，拉伸应力与化学介质同时存在。就所涉及的水平而言，单独任何一个因素都不会导致失效，这就是 ESC 如此容易被忽略的原因——应力在设计限值之内，而该化学品又是材料数据表中列为相容的。是两者的相互作用降低了抗银纹能力。
为什么失效分析常常显示材料符合规格？
因为 ESC 是物理失效而不是化学失效。介质使受应力区域增塑并促进银纹产生，而不会明显降解聚合物，因此测试失效零件时发现分子量、成分和力学性能都正常。这一结果常常导致错误的结论：材料没问题，是载荷过大。
哪些塑料最容易受影响？
非晶态聚合物，尤其是聚苯乙烯、亚克力、ABS 和聚碳酸酯。聚丙烯等半结晶聚合物耐受性更强，因为结晶区阻碍介质渗入，而 PPS 和 PEEK 等高温芳香族材料则高度耐受——这也是它们尽管成本高，仍被指定用于苛刻化学环境的部分原因。
应如何测试 ESC 耐受性？
在受应力状态下测试。将平坦的无应力试片放入化学品中测试是最常见的错误，因为它去除了所要研究的相互作用，几乎总是通过。弯曲条和椭圆夹具方法在暴露期间施加已知应变；ASTM D543 涉及耐化学性，ASTM D1693 是经典的聚乙烯方法。应筛查零件实际会接触的每一种化学品，包括清洁剂。
激光打标会引发应力开裂吗？
它可能起促成作用，即在模塑残余应力之上增加局部热应力——尤其是在聚碳酸酯和亚克力上，特别是当标记跨越应力本已集中的浇口、熔接线或加强筋根部时。银纹往往在数小时或数天后而不是在设备旁出现，因此评定应包括延迟复检，而不是依赖即时目视检查。
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