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世 界 橡 胶 工 业 σ f = γ E s a
2005 ( 11 227)
附近应力较大 , 随着远离应力集中点而变小 。 因此 , 抗撕裂试验的破坏机理和拉伸试验的不 同 。即 ,对于通常的拉伸试验 ,当拉伸至整个试 样变成再也不能伸长的状态时 , 极小缺陷就会 成为诱因 ,进而断裂 ; 对于抗撕裂试验 , 试样从 一开始就存在很大缺陷 ,即存在着应力集中点 , 所以首先在此处断裂 , 而后裂口逐步扩大到试 样的对面 。这样 ,根据应力分布不均匀状况 ,用 式 ( 11226) 求取撕裂强度时不用截面积 , 而用厚 度除以负荷 。
C 。由于认为 a 的大小为几 A ,而裂口的长度在
°
几μ m 以上 , 所以破坏应力比理想值小两位数 以上 。 此外 Griffith 考虑到具有单位厚度的材料 中存在着长度为 2C 的裂口 ,从而引起了能量变 化 ,即 : γ ( 11 229) W = U + 4γ s 式中 , 第一项表示裂口引起的弹性变形能的减 少值 , 而第二项表示裂口引起的表面能的增加 值 。因此认为 , 当该能量相对于裂口长度的增 加 ,变为负值时产生了破坏 ,即 : 5U ( 11 230) ≥4γ s 5γ 在此 ,所表达的观点也适用于橡胶 。但是 , 橡胶是可进行大变形的材料 ,其滞后损失大 ,难 以假定断裂所需的能全部变成断裂面的表面
W 之间存在以下关系 ,即 :
F = μ W
世 界 橡 胶 工 业
2005
( 11 234)
粘合摩擦 ,滞后摩擦也称为变形摩擦 。 粘附摩擦力 Fadh 和金属摩擦一样 , 可用下 式表示 ,即 :
Fadh = As
( 11 238)
图 11217 负荷与摩擦力的关系
式中 μ , 为摩擦系数 ,由该值表示两表面间的互 相作用 。摩擦系数μ 一般分为静摩擦系数和动 摩擦系数 ,其值与负荷和速率等有关系 。 对金属而言 ,摩擦力 F 与垂直负荷成正比 。 即 ,在式 ( 11234 ) 中 μ 为常数 , 静摩擦力比动摩 擦力还大 , 摩擦力与表观接触面积无关系 。将 此性质称为阿蒙顿2库仑 ( Amonton2Coulomb) 摩 擦定律 。 这些性质可由以下关系式表述 。首先是金 属间的真实接触面积 A 与负荷成正比 , 而表观 接触面积与负荷无关 ,即 :
第 32 卷第 5 期
王作龄 . 最新橡胶工艺原理 ( 二十六)
・49 ・
则拉伸方向与垂直方向的伸长比 , 在拉伸方向 不加外力而体积不变时可写作下式 : 1 λ ( 11 232) 2 = λ 3 = λ 但是 , 当上述摩擦等因素起作用时 , 在λ 2 和λ 3 的方向上受到力的作用 , 则式 ( 11232 ) 有可能不 成立 。
图 11215 压缩试验和拉伸试验结果 ■— 试验值 ; — 门尼2里夫林方程
摩擦试验和磨耗试验被列为橡胶的重要物 理性能试验项目之一 。橡胶是易磨耗材料 , 而 摩擦力是造成橡胶磨耗的原因之一 。摩擦和磨 耗现象存在于轮胎 、 胶辊 、 胶带 、 鞋底等各种橡 胶制品中 ,它们对橡胶制品是十分重要的性能 。 摩擦试验的目的是测定材料与其它物料接 触并进行相对运动时所受的力 。如图 11217 所 示 ,测定一个按一定速率牵引 、 与试样接触 、 负 荷为 W 的试验体需多大程度的力 F 。此时 F 与
11. 3. 5 拉伸永久变形试验( J IS K6262)
橡胶是一种容易力学松驰的材料 。例如 , 向未硫化胶施加一定伸长并保持一段时间 , 而 后即使去除外力也不能恢复到原来的形状 。胶 料硫化后这种性能还有某种程度的存在 。当 然 ,如果高分子链不能扩散 、 交联密度高 , 而且
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硬度试验是一种与橡胶弹性模量有关的试 验方法 ,因该法操作简单等原因 ,在性能评价项 目中成为必然提出的试验方法之一 。 图 1129 为硬度试验机的示意图 。该图以 模式化方式展示了 A 型弹簧式硬度试验机 。 该试验机的结构是将装置的加压面按压在橡胶 试样的表面 , 由加压面中心伸出的压针压入橡 胶中 。在硬度计压针的上方装有弹簧 , 施加与 弹簧变形相符的负荷 。如果压针没有从金属面 上下落 ,则硬度为 100 ; 如果试样柔软压针处在 下落状态 , 则硬度为零 。硬度计的刻度在 0 ～ 100 之间分成 100 个等分 。用 A 型硬度计测定 硬度时 ,施加在弹簧上的力 W 与硬度 HA 之间 存在如下关系 ,即 :
式中 ,E 为杨氏模量 ;γs 为表面能 ; a 为晶格间 距 。这是假定断裂所需的能全部变成断裂面的 表面能而引入的方程 。对此 Griffith 认为 , 如果 该力施加在裂口端部破坏时 ,则导出下式 : σ f = γ 2E s
c
( 11 228)
式中 ,C 为裂口长度的一半值 。在此需要注意 的是 ,式 ( 11228) 包含具有肉眼可见的裂口长度
图 11210 抗撕裂试验用试样形状
抗撕裂试验时因试样形状复杂 , 所以伸长 率不能简单地定义 。除了特殊目的以外 , 测定 的项目只是撕裂强度 。撕裂强度 T 由试样厚度
t 除以试样断裂时的最大负荷 f 得出 ,即 :
T = f t
( 11 226)
在求取断裂强度的问题上 , 可以说抗撕裂 试验所研究的物理性能接近于拉伸试验的断裂 强度 。但是 ,对试样所施加的力即应力分布两 者之间却不尽一致 。对于拉伸试验 , 从垂直于 拉伸方向的截面看 ,应力分布被认为是均匀的 ; 对于撕裂试验 ,如图 11213 所示 ,在应力集中点
图 11213 抗撕裂试验试样割口端部的变形状态
抗撕裂试验与橡胶材料的破坏现象有密切 关系 ,为此进行了大量的研究 。其基本思路是 依据 Griffith 的理论 。 若简单叙述 , 则首先对结晶的理想断裂破 坏强度σ f 规定如下 :
移量较小而且负荷较大 , 所以要求试样的夹具 和十字头的伸长计等要有适宜的精度 。 此外 ,使用圆柱形试样时 ,试样需稍呈鼓状 变形 。夹持试样的夹具与橡胶间的摩擦过大 时 ,与拉伸试验一样 ,会变成不能满足力学变形 的状态 ,因此需要注意 。即 ,拉伸试验的变形是 单轴拉伸试验 ,假定拉伸方向的伸长比为下式 : λ ( 11 231) 1 = λ
图 11212 试样撕裂式样
图 11211 试样的撕裂方向
能 ,因此有必要对考虑了若干因素的方程进行 修正 。
11. 3. 4 压缩试验( J IS K6254)
压缩试验基本上如同由拉伸试验求取应力 值那样 ,是为求得压缩状态下的应力值的试验 。 但是 ,压缩试验通常使用如图 11214 所示的圆 柱形试样 。拉伸试验系采用光学读取标线间数 值以求取变形的方法 , 而压缩变形多数根据十 字头的移动量来求取变形 。压缩试验时一般位
W A = pf
式中 ,A 为真实接触面积 ; s 为剪切强度 。对真 实接触面积 A ,一般成立下式 ,与负荷不是单纯 成正比 ,即 : n ( 11 239) A = aW 式中 ,a 和 n 为决定于材料和接触状态的参数 。 在像硬球接触柔软橡胶那样单点接触模型的场 合 n 为 2Π 3 , 而在图 11218 那种多点接触模型的 场合则为 1 。此外 ,施加负荷 W 时 ,若仅仅粘附 摩擦力 Fadh 起作用 , 则粘附摩擦力可由式 ( 112
75
( 11 225)
式中 ,W 的单位为 mN ,硬度为无因次 。
图 1129 A 型弹簧式硬度计的示意图
硬度试验方法比较简单 , 但要注意试样的 厚度和光滑性 、 加压面的加压方法和速度 、 从对 加压面加压到读到数值的时间等 。试样不厚时 因受试样座的影响会出现高值 。此外 , 加压面 倾斜接触试样时 , 在试样和加压面之间出现间 隙 ,压针不能充分恢复 ,结果出现低硬度值 。对 加压面的加压速度太快时 ,冲击力增加 ,硬度有 可能增高 。再者 , 由于橡胶的松驰速度较快和 硬度逐渐降低 ,所以必须进行快速测定 。 此外 ,软橡胶试样可用 E 型硬度测定 , 而 硬橡胶试样用 D 型硬度计测定比较适宜 。 11. 3. 3 抗撕裂试验( J IS K6252)
T = l2 - l0 ×100 l1 - l0
态 ,这是由于使用了由以上两个方程式导出的 门尼2里夫林方程并进行了配合的结果 。在实 际的压缩试验中 ,被压破的上 、 下面未必呈现充 分水平的状态 。可认为这与低压缩区试验的解 析式不相符 。
( 11 233)
式中 ,l0 为拉伸前的标线间距离 ;l1 为拉伸时的 标线间距离 ;l2 为收缩后的标线间距离 。试验 结束后将处于拉伸状态的试样于室温下停放 ( 30235) min ,而后取出试样 ,测定其 30 min 后的 长度 。 11. 3. 6 摩擦试验
HA = W - 550
抗撕裂试验的目的是向橡胶施加应力 , 使 该应力局部集中 , 并研究其强度 。试验方法和 拉伸试验一样 , 多半使用 2 mm 厚的胶片 。试 样形状在 J IS 中规定 ,有如图 11210 所示的圆弧 形、 直角形和裤形 。此外 ,如图 11211 ( b) 所示的 长方形试样也常常使用 。圆弧形和直角形试样 是设置一个 1 mm 深的割口 , 而裤形试样是切 开一个 40 mm 深的割口 。直角形试样分为有割 口和无割口两种 。关于试样的拉伸方向 , 圆弧 形、 直角形和长方形试样沿纵向拉伸 ,而裤形试 样 ,如图 11211 ( a) 所示 ,对包括割口的部分进行 上下拉伸 ,或者垂直于如图 11211 ( b) 所示与长 方形相同割口的方向进行拉伸 。这样 , 具有裂 口橡胶的变形试样可分为如图 11212 所示的三 种 。对此进行比较可知 , 图 11211 ( a ) 的裤形撕 裂试样与图 11212 ( c ) 相对应 , 其它形状试样与 图 11212 ( a) 相对应 。
第 32 卷第 ・
最新橡胶工艺原理( 二十六)