/
Текст
М. М. РЕЗНИКОВСКИЙ, А. И. ЛУКОМСКАЯ
МЕХАНИЧЕСКИЕ ИСПЫТАНИЯ
КАУЧУКА И РЕЗИНЫ
ИЗДАТЕЛЬСТВО «ХИМИЯ»
МОСКВА • 1964 • ЛЕНИНГРАД
УДК 678.4.062.063.0І7 : 620.17
Р34
В книге описываются методы и приборы,
применяемые для механических испытаний кау-
чуков, резиновых смесей и вулканизатов. Кратко
характеризуются важнейшие особенности
механических свойств этих материалов. Особое
внимание уделяется общим тенденциям развития
важнейших методов и совершенствования
существующих приборов.
Книга предназначена для инженеров и
техников, работников заводских и исследовательских
лабораторий резино-каучуковой и смежных
отраслей промышленности. Она может быть
использована в качестве учебного пособия для
студентов втузов и техникумов по специальностям
технологии каучука и резины.
Марк Моисеевич Резниковский
Александра Ильинична Лукомская
МЕХАНИЧЕСКИЕ ИСПЫТАНИЯ КАУЧУКА И РЕЗИНЫ
М., Издательство «Химия», 1964 г.
528с. УДК 678.4.062/.063.017 : 620.17
Редактор Ю. С. Зуев Техн. редактор Л. А. Пантелеева
Т 16476 Подписано к печати 14/ХП 1964 г.
Бумага 60x90Vi6 = 16,5 бум. л.—33 печ. л. Уч.-изд. л. 33
Заказ 2406 Цена 1 р. 62 к. Тираж 5000 экз.
Московская типография № 21 «Гларполиграфгтрома» Государственного комитета Совета
Министров СССР по печати. Москва, 88. Угрешская, 12.
СОДЕРЖАНИЕ
Предисловие
От авторов
Введение
1. Особенности механического поведения каучуков и резин
2. Классификация механических методов испытания
3. Общие требования к приборам и методам механических испытаний . .
4. Стандартизация методов испытаний
Литература
Глава I. Испытания каучуков и резиновых смесей
1. Основные представления о механических свойствах каучуков н
резиновых смесей
Пласто-эластлческие свойства
Вулканизуемость
Клейкость
2. Испытания каучуков и резиновых смесей
3. Методы оценки пласто-эластических свойств
Пенетрометры
Сжимающие пластометры
Выдавливающие пластометры
Сдвиговые вискозиметры
4. Методы определения вулканизуемое™ резиновых смесей
Определение способности резиновых смесей к преждевременной
вулканизации ,
Определение оптимума вулканизации
5. Экспресс-контроль сырых смесей
6. Определение клейкости
Литература 84
Глава П. Определение прочностных и упруго-релаксационных свойств
резины при статическом нагружении 90
1. Механическое поведение резин при статическом нагружении .... 90
Основные понятия и определения ;..... 90
Содержание
Равновесное состояние 92
Релаксационные свойства 98
Прочность 108
2. Общая характеристика испытаний на прочностные и
упруго-релаксационные свойства 124
3. Устройство разрывных машин 127
Динамометры (силоизмерительные механизмы) 129
Зажимы и приспособления для крепления образцов 139
Измерение деформации при растяжении. Конструкции экстензо-
метров 142
Узлы передачи деформаций (приводы и преобразователи
движения) 150
Самопишущие механизмы 153
Разрывные машины для высоких скоростей деформации ..... 155
Термостатирование разрывных машин 160
4. Заготовка образцов для испытания 166
5. Испытания резины на прочность 175
Определение прочностных характеристик на разрывных машинах 175
Испытание резин на долговременную прочность 181
Определение сопротивления резины раздиру 182
6. Определение упруго-релаксационных свойств резины 191
Определение упругих и деформационных характеристик резины . 191
Испытание резины на гистерезис 199
Определение остаточной деформации 200
Испытания на релаксацию напряжения и ползучесть 206
Литература 222
Глава III. Определение твердости резины 228
Значение показателя твердости резины и характеристика методов
его определения 228
Факторы, влияющие на результаты определения твердости . . . 230
Приборы для определения твердости под постоянной нагрузкой . 231
Портативные приборы 237
Микротвердомеры 241
Литература 248
Глава IV. Испытание резин иа упругость и гистерезис в динамических
условиях 250
1. Механические свойства резины в условиях динамического нагруже-
ния 250
Упруго-гистерезисные свойства 250
Зависимость упруго-гистерезисных характеристик от условий на-
гружения и некоторые теоретические представления 256
Влияние состава резины на ее упруго-гистерезисные свойства . . 269
Содержание
Механические потери при различных режимах динамического на-
гружения 271
2. Методы определения динамических (упруго-гистерезисных) свойств
резины 273
Методы измерения эластичности по отскоку 280
Методы измерения частоты и затухания свободных колебаний . . 289
Вынужденные резонансные колебания 294
Определение динамических свойств резины при вынужденных
нерезонансных колебаниях 298
Литература 316
Глава V. Испытание резины на прочность в динамических условиях . . . 321
1. Усталостно-прочностные свойства 321
Основные определения 322
Методические трудности и классификация важнейших режимов 323
Зависимость усталостио-прочностных свойств от условий
циклического нагружения 326
Природа усталостного разрушения и влияние состава 332
2. Определение усталостной выносливости, теплообразования и
изменения свойств резин при утомлении 337
Испытания на многократное растяжение 339
Испытания на многократное сжатие 345
Испытания на многократный сдвиг 349
Испытания на многократный изгнб и кручение 353
3. Специальные виды динамических испытаний на сопротивление резин
образованию и разрастанию трещин 358
Литература 369
Глава VI. Определение прочности связи между резиной и резиной,
резиной и другими материалами в статических и динамических условиях 373
1. Основные особенности многослойных систем и общие принципы
построения методов определения прочности связи 373
2. Статические методы определения прочности связи резины с резиной,
резины с прорезиненной тканью, резины с кордом, резины с эбо-
иитом и металлом 377
Определение прочности связи резины с резиной и резины с
прорезиненной тканью 377
Определение прочности связи резины с единичной нитью корда . 382
Определение прочности связи резины с металлом 387
3. Динамические методы определения прочности связи резины с резиной,
резины с прорезиненной тканью, резины с кордом и другими
материалами 392
Содержание
Определение динамической прочности связи резины с резиной . . 393
Определение динамической прочности связи между резиной и
прорезиненной тканью или слоями прорезиненного корда 398
Определение динамической прочности связи резины с единичной
нитью корда 398
Литература 403
Глава VII. Испытания резин на старение . 406
1. Методы естественного старения 408
2. Методы искусственного старения 411
Ускоренное тепловое старение 411
Ускоренное световое старение 417
Аппараты искусственной погоды 419
Свето-озонное старение 421
Озонное старение 423
Автоматическая регулировка концентрации озона 432
Литература 434
Глава VIII. Определение морозостойкости и температуры хрупкости
резин 438
Методы охлаждения образцов при испытаниях на
морозостойкость 443
Методы определения температуры хрупкости 446
Методы испытания резины на морозостойкость по эластическим
свойствам при растяжении и сжатии 451
Методы испытания резины на морозостойкость по эластическим
свойствам при изгибе 460
Определение морозостойкости резины по эластическим свойствам
при кручении 462
Другие методы оценки морозостойкости резин и влияния степени
кристаллизации на механические свойства 467
Литература 469
Глава IX. Испытание резины на треиие и истирание 474
1. Особенности трения и истирания резины 474
О трении резины 474
Об истирании резин 478
Основные понятия и определения 478
О механизме истирания езины .... 479
Содержание
Зависимость коэффициента истираемости от параметров
режима и свойств резины 484
2. Испытания резины на износостойкость 486
3. Машины для оценки износостойкости резни в режиме скольжения 489
4. Машины для оценки износостойкости резин в режиме качения .... 497
5. Измерение коэффициента трения 504
Литература 510
Предметный указатель 513
ПРЕДИСЛОВИЕ
Во всех отраслях промышленности, производящей и
перерабатывающей каучук, физико-механические испытания
полимеров, сырых резиновых смесей и вулканизатов до настоящего
времени являются основным средством производственного
контроля, включающего оценку качества сырья, полуфабрикатов и
готовых изделий.
Эти же испытания лежат в основе большинства
исследовательских работ, направленных на создание резин с
оптимальными эксплуатационными свойствами применительно к
разнообразным условиям работы различных изделий.
В настоящее время известно огромное количество методов
и приборов, применяемых для такого рода испытания.
Ежемесячно появляются десятки публикаций с новыми
рекомендациями в этой области. Все это связано как с разнообразием
технических применений резины, так и с недостаточным знанием
механических свойств ее как конструкционного материала.
Значительные успехи отечественной и зарубежной науки о
механических свойствах полимерных материалов, а также
развития техники приборостроения делают весьма необходимой
задачу критического рассмотрения и систематизации
применяемых методов и приборов, выявления наиболее прогрессивных
рекомендаций и разработку конкретных предложений по
наиболее полной и объективной оценке всего комплекса
механических свойств резины.
Такая попытка, предпринятая авторами настоящей книги,
тем более актуальна, что единственным пособием по
механическим испытаниям каучука и резины пока является
книга Г. Ш. Израелита «Механические испытания резины и
каучука», вышедшая еще в 1949 г. и в большей своей части уже,
безусловно, устаревшая.
Мне представляется, что книга М. М. Резниковского и
А. И. Лукомской «Механические испытания каучука и резины»
может быть рекомендована в качестве современного
руководства, дающего возможность ориентироваться в выборе
соответствующих показателей механических свойств, методов и
приборов для их определения.
Наряду с описанием и характеристикой широко
распространенных, в том числе и стандартизованных методов (в совре-
Предисловие
менных и усовершенствованных их вариантах), авторы дают
представление о многих новых перспективных, но пока еще
мало применяемых приборах и методах. Они критически
сопоставляют линии развития отечественной и зарубежной
практики.
Вышедшие недавно за рубежом книги на аналогичные темы
(Пайн и Скотт, «Инженерные расчеты резины. Свойства,
испытания и расчеты резины как конструктивного материала»; Наун-
тон, «Прикладная наука о резине»)* в основном посвящены
рассмотрению механических свойств, а не методов, и касаются
лишь некоторых групп свойств, и, кроме того, в этих книгах не
рассматриваются методы и приборы, применяемые в Советском
Союзе.
Полагаю, что книга М. М. Резниковского и А. И. Лукомской
явится весьма полезным пособием не только для инженеров и
техников резино-каучуковой и смежных отраслей
промышленности (исследователей, конструкторов, технологов), но и для
учащихся соответствующих специальностей во втузах и
техникумах.
Профессор Б. Догадкин
* A. R. Payne, J. R. Scott, Engineering design with rubber. The
Properties, Testing and Design of Rubber as an Engineering Material.
London, New York, 1960; W. J. S. N a u n t o,n, The applied science of rubber,
London, Edward Arnold (publishers) Ltd, VIII, IX, Part I, 1961
ОТ АВТОРОВ
В настоящей книге основное внимание уделяется методам
и приборам лабораторных механических испытаний каучука и
резины.
Для лучшего понимания соответствующих методов, их
преимуществ и недостатков, а также намеченных в связи с этим
путей дальнейшего их развития, описанию методов
предшествуют разделы, дающие основные представления о механических
свойствах.
А. И. Лукомской написаны: раздел 4 введения; разделы 2,
3, 4, 5 и 6 глав I и II; глава III; раздел 2 главы IV; разделы 2
и 3 главы V; главы VI, VII и VIII, а также разделы 3, 4 и 5
главы IX.
М. М. Резгшкозским написаны: раздел 1 введения; раздел 1
главы I; раздел 1 главы II; раздел 1 главы IV; раздел 1 главы
V; раздел 1 главы IX.
Совместно авторами написаны разделы 2 и 3 введения;
вводная часть главы VIII и раздел 2 главы IX.
В оформлении книги принимала участие Л. Т. Калинова.
ВВЕДЕНИЕ
1 ОСОБЕННОСТИ МЕХАНИЧЕСКОГО ПОВЕДЕНИЯ КАУЧУКОВ
И РЕЗИН
Каучук и резина — эластомеры, т. е. полимерные
материалы с резко выраженной способностью к высокоэластической
деформации, проявляемой в достаточно широком интервале
температур.
По своему механическому поведению вещества,
находящиеся в высокоэластическом состоянии, качественно отличаются от
низкомолекулярных твердых и жидких тел, однако
обнаруживают некоторые черты тех и других. Так, напряжение в
идеально упругих твердых телах обусловлено величиной
соответствующей деформации, но не зависит от ее скорости. В вязких
жидкостях, наоборот, напряжение определяется скоростью
деформации, но не зависит от ее величины. В эластомерах
напряжение зависит и от величины и от скорости деформации.
Для каучука и резины характерны большие деформации
при сравнительно низких напряжениях. Для твердых упругих
тел характерны большое сопротивление деформациям и малая
величина последних.
Резины отличаются от каучуков наличием прочных попереч
ных связей, возникающих при вулканизации между длинными
цепными молекулами. Основное различие между материалами
в каучукоподобном и резиноподобном состояниях проявляется
при их деформировании с бесконечно малой скоростью. При
этом каучук по своим механическим свойствам подобен
жидкости, т. е. напряжение в нем приближается к нулю, в то
время как резина ведет себя подобно твердому упругому телу, в
котором напряжение сохраняет некоторое конечное значение.
Общим для каучукоподобного и резиноподобного состояний
является существенная зависимость напряжения от времени
действия силы и от скорости деформирования. Так, например,
при неизменяющемся во времени значении деформации эта за-
висилюсть проявляется в постепенном спаде напряжения.
Явление это называется релаксацией напряжения, а свойства,
обусловленные зависимостью механического поведения от
временного режима нагружения, называют релаксационными.
12 Введение
Релаксационные свойства каучуков и резин
непосредственно связаны с энергией ван-дер-ваальсового взаимодействия
между звеньями цепных молекул; точнее, они зависят от
соотношения этой энергии и энергии теплового движения звеньев.
Релаксационный процесс протекает тем быстрее, чем слабее
межмолекулярное взаимодействие и чем энергичнее тепловое
движение, т. е. чем выше температура. Последнее
обстоятельство обусловливает резкую зависимость всего комплекса
механических свойств каучуков и резин от температуры.
В соответствии с отмеченным выше, у каучуков и сырых (не-
вулканизованных) резиновых смесей напряжение в процессе
релаксации спадает до нуля, в резинах же этот спад происходит
до некоторого конечного значения, называемого равновесным
и определяемого прежде всего степенью вулканизации, т. е.
«густотой» образовавшейся молекулярной сетки.
Механическое поведение резины в реальных условиях на-
гружения с некоторой конечной скоростью определяется как ее
упругими (высокоэластическими) свойствами при равновесии,
так и ее релаксационными свойствами, обусловливающими
скорость установления этого равновесия.
Общие закономерности упругих, релаксационных и
прочностных свойств будут рассмотрены в связи с конкретными
методами их определения. Здесь, однако, уместно остановиться еще
на некоторых особенностях механического поведения каучуков
и резин, играющих существенную роль при оценке этих
материалов и при проведении соответствующих механических
испытаний.
Имеются в виду необратимые, либо частично обратимые
изменения свойств под воздействием различных внешних
факторов. В этой связи особенно важно влияние самих
механических сил. Механические свойства могут существенно
изменяться даже при весьма кратковременной деформации. В
наполненных резинах соответствующие эффекты совершенно
аналогичны тиксотропии системы, состоящей из высокодисперсных
частиц, находящихся в низкомолекулярной жидкости. Обратимые
тиксотропные изменения, возникающие вследствие разрушения
слабых ван-дер-ваальсовых связей, часто сопровождаются
необратимыми механо-химическими явлениями, обусловленными
разрывами химических связей с последующей рекомбинацией
образовавщихся при этом свободных радикалов.
Весьма существенными могут быть изменения механических
свойств при воздействии различных немеханических факторов.
Необратимые самопроизвольные изменения такого рода,
объединяемые общим понятием «старение», часто являются
решающими для долговечности материала в изделии.
2. Классификация механических методов испытания 13
В числе наиболее распространенных немеханических
факторов, вызывающих интенсивное старение полимеров, следует
отметить высокие температуры, свет, озон, кислород. Менее
существенно влияние влаги.
2. КЛАССИФИКАЦИЯ МЕХАНИЧЕСКИХ МЕТОДОВ ИСПЫТАНИЯ
Механические испытания производятся как на образцах и
специально изготовленных модельных конструкциях, так и на
готовых изделиях.
Испытания готовых изделий делятся на следующие
принципиально различные по своей постановке классы:
1) лабораторные испытания образцов, вырезанных из
готовых изделий;
2) лабораторные испытания готовых изделий на
универсальных или специализированных установках;
3) испытания готовых изделий в эксплуатации.
Первый класс испытаний отличается от обычных
лабораторных испытаний резиновых образцов и модельных конструкций
только способом их заготовки.
При испытании по второму и третьему классу
используются целиком неразрушенные готовые изделия. Сюда же
следует отнести испытания полуфабрикатов в процессе их
производства.
Наиболее достоверным путем оценки качества изделий и
технологических процессов их изготовления является проверка
свойств резиновой смеси на производственном оборудовании и
готовых изделий в эксплуатации. Однако такой путь очень
трудоемок. К производственным и эксплуатационным испытаниям
прибегают лишь в качестве заключительного этапа, имея
предварительно положительные результаты лабораторных
исследований механических свойств.
Эта задача сама по себе достаточно сложна, но решение ее
позволяет существенно сэкономить расход времени, материала,
энергии и человеческого труда, заменяя дорогостоящие
производственные и эксплуатационные испытания комплексом более
быстрых и дешевых лабораторных испытаний.
В настоящей книге будут описаны только лабораторные
механические испытания образцов и модельных конструкций,
специально изготовленных или вырезанных из готовых изделий.
По своему назначению методы механических испытаний
могут быть разделены на три основные группы:
Методы первой группы, которые мы будем называть общими
(или физическими), дают возможность получить показатели,
имеющие ясный физический смысл, наиболее полно и
объективно характеризовать некоторые свойства, присущие именно ис-
14 . Введение
пытуемому материалу безотносительно к конкретным
особенностям режима нагружения. Эти показатели могут служить для
сопоставления материалов, сильно различающихся по своим
механическим свойствам, для оценки влияния на эти свойства
структуры, способов получения материала и других факторов.
Особенностью физических методов является сравнительная
простота режимов нагружения, необходимая для
количественного учета роли напряжения, деформации, температуры и
времени воздействия при испытании.
Показатели, получаемые этими методами, могут служить не
только для сравнительной оценки, но и в качестве абсолютных
характеристик материала, знание которых необходимо при
создании из него оригинальных конструкций, либо при поисках
новых его применений.
Громадное разнообразие технических применений резины,
сложность практически реализуемых режимов нагружения,
недостаточность общей теории механических свойств резины как
конструкционного материала привели к тому, что наряду с
общими методами механических испытаний громадное
развитие получили всевозможные специальные методы, относимые в
предлагаемой классификации ко второй группе.
Специальные методы строятся с учетом особенностей
режимов переработки материалов или эксплуатации изделия.
Как правило, эти режимы достаточно сложны и не
поддаются строгому анализу. Показатели, получаемые этими
методами, следует считать условными и пригодными лишь для
сравнительных оценок материалов, предназначенных для
конкретных условий переработки или эксплуатации.
Важной проблемой является самый выбор соответствующих
методов испытаний в связи с многообразием показателей,
необходимых для полной характеристики рабочих свойств
материала.
Так, например, технологические свойства резиновых смесей
зависят от сложного комплекса механических свойств,
основными среди которых являются: 1) пласто-эластические
свойства, определяющие мощность применяемого оборудования,
усадку, гладкость поверхности, скорость переработки смесей; 2)
прочностные, адгезионные, когезионные и фрикционные свойства,
характеризующие взаимодействие обрабатываемых материалов с
металлическими частями оборудования и друг с другом;
3) склонность к преждевременной вулканизации; 4) кинетика
достижения оптимума вулканизации.
Для протекторных резин важными показателями являются:
сопротивление раздиру, истиранию, действию света, озона и
температуростойкость; прочность, выносливость и теплообразо-
2. Классификация механических методов испытания 15
вание при многократных деформациях; амортизирующие
свойства; сопротивление образованию и разрастанию трещин в
углах «рисунка» протектора; прочность связи протекторной
резины с брекерной и т. п.
Практическая ценность определяемых показателей зависит
от того, в какой мере достоверно воспроизводятся основные,
наиболее характерные черты эксплуатационного режима.
Надо, однако, отдавать себе отчет в том, что моделирование
эксплуатационного режима при испытании образцов в
большинстве случаев может быть проведено лишь весьма
приближенно. Так, например, воспроизводя условия качения шины на
дороге при помощи кольцевых образцов, добиваются геометри^
ческого подобия, равенства частоты воздействия нагрузки и т. п.
В то же время, вследствие теплообразования при многократных
деформациях, в массиве шины развивается и сохраняется
температура более высокая, чем в относительно малом модельном
образце.
Применение дополнительного обогрева образца при
испытании также не решает вопроса полностью, поскольку при этом
нарушается подобие в распределении температур. Само
построение образцов, геометрически подобных изделию по форме
и распределению материалов, оказывается трудоемким и мало
точным, лишая лабораторные испытания их преимуществ по
простоте и быстроте.
Поэтому на практике воспроизводят лишь наиболее
характерные и существенные особенности имитируемых
механических режимов, руководствуясь при этом общими сведениями о
влиянии тех или иных параметров на характеризуемые
механические свойства.
К третьей группе методов, имеющей самостоятельное и
весьма важное значение, следует отнести так называемые
контрольные испытания, используемые в производственных
условиях для быстрой проверки стандартности качества исходных
материалов, полуфабрикатов и готовых изделий.
Важность контрольных испытаний связана с тем, что
резина представляет собой сложный материал, свойства которого
в сильной степени обусловлены не только применяемой ре:
цептурой (тип каучука, наполнителей и прочих ингредиентов),
но и режимами изготовления. Вследствие этого при серийном
изготовлении одного и того же резинового изделия необходим
постоянный контроль на всех стадиях производства (прием
сырья, смешение, формование, сборка, вулканизация), кончая
отбраковкой готовых изделий.
Численные значения показателей, получаемых в
контрольных методах, устанавливаются для каждого подвергающегося
16 Введение
проверке (контролируемого) материала и являются нормами.
Они основаны на предварительном детальном наборе данных
для «эталонной» (стандартной) партии материала, тщательно
изготовленной при строгом соблюдении всех необходимых
правил. Их изменения, обнаруженные при контроле и
превосходящие допустимые пределы отклонений от норм, указывают на
наличие отступлений от требуемого качества.
Основным требованием к контрольным методам является
«чувствительность» определяемых показателей к
контролируемым колебаниям в составе и свойствах испытуемого материала.
В условиях современного производства при промежуточном
контроле в поточных линиях не менее существенным является
требование быстроты (экспрессности) метода.
Сказанное выше можно обобщить следующим образом:
Общие методы дают количественные абсолютные
характеристики механических свойств материалов, пригодные для
анализа их поведения при любых режимах нагружения и могут
быть поэтому использованы при сравнении материалов самого
различного назначения.
Специальные методы дают условные показатели, пригодные
лишь для сравнительной оценки резин данного, относительно
узкого назначения.
Контрольные методы предназначены для испытаний
различных партий (образцов) одного и того же материала и служат
для обнаружения нежелательных отклонений свойств
контролируемого материала от заданных норм, или показателей,
получаемых на материале удовлетворительного качества.
Все механические методы испытания, независимо от
назначения, принято разделять иа статические и динамические.
Как статические, так и динамические испытания в свою
очередь могут классифицироваться по типу применяемой
деформации (растяжение, сжатие, сдвиг, изгиб, кручение,
сложно-напряженное состояние), по температуре испытания
(низкотемпературные, высокотемпературные, «нормальные», т. е.
испытания, проводимые при комнатной температуре), по среде,
в которой производятся испытания (воздух, инертные газы,
вакуум, кислород, озон или другие химически и физически
агрессивные среды). Классификация в принципе может быть
проведена и по другим параметрам испытания.
3. ОБЩИЕ ТРЕБОВАНИЯ К ПРИБОРАМ И МЕТОДАМ
МЕХАНИЧЕСКИХ ИСПЫТАНИИ
Требования к приборам и методам связаны как с их
назначением, так и с особенностями механического поведения
испытуемых материалов. Они касаются условий изготовления
3. Общие требования к приборам и методам механических испытаний 17
образцов, условий испытания и выражения результатов
испытания.
При изготовлении резиновых образцов для испытания,
помимо соблюдения обязательных требований к стандартности
сырья, рецептуры резины и технологии процесса, следует
обратить внимание на предысторию образцов, не учитываемую
действующими стандартами (механическая и тепловая
обработка, время и условия «отдыха» после изготовления смеси,
вулканизата или перед вырубкой образца и т. п.), которая
играет существенную роль и может исказить результаты
испытаний.
Для обеспечения стабильности условий выдержки и
хранения готовых образцов перед испытанием в крупных
лабораториях применяется кондиционирование воздуха (постоянство
температуры и влажности в помещении).
При вырубке образцов из вулканизованных заготовок,
когда формование оказывает влияние на структуру резины (как,
например, каландровый эффект), должно быть указано
направление вырубки.
Как правило, однократно деформированные образцы не
подвергаются повторным испытаниям. Если же предварительная
деформация произведена, она учитывается как один из
параметров испытания.
При рассмотрении условий испытаний необходимо обратить
внимание на состав окружающей среды; температуру;
величину и характер деформации; скорость или частоту деформации
или нагрузки и допускаемые пределы изменения; конструкцию,
форму и размеры образца с допусками; устройство
испытательной аппаратуры и т. п.
Отличительной особенностью приборов для испытания
резины является возможность измерения больших деформаций и
относительно малых нагрузок, а также необходимость строго
фиксировать режим нагружения во времени.
В ряде случаев желательно предусматривать возможность
снятия кинетики изменения деформационных свойств
(проведения измерений во времени).
При проведении испытаний на приборах без термостатирую-
щих устройств в помещении лаборатории должно быть
обеспечено поддержание стандартной температуры в заданных
пределах, например 20±2°С, что достигается путем
кондиционирования.
Если испытание длительно (например, испытание на
усталость), должны применяться специальные меры, чтобы учесть
и регламентировать роль немеханических факторов (свет,
кислород, озон и т. д.).
2-2406
18 Введение
Для оценки способности резины к сохранению своих
механических свойств при интенсивном действии немеханических
факторов проводятся специальные испытания на старение под
влиянием тепла (тепловое старение), света (световое старение),
озона (озонное старение), кислорода и т. д.
При выражении результатов испытания на основании
измеренных величин недостаточно знать только расчетные
формулы для искомых показателей. Как правило, даже при
строжайшем соблюдении условий заготовки и испытания образцов,
полученных из одного и того же материала, результаты
испытаний отличаются от образца к образцу. Это, прежде всего,
связано с неизбежными колебаниями в заданных условиях, в
пределах допусков, оговоренных в методиках.
Влияние индивидуальных особенностей оператора
усугубляет погрешности измерений, а проведение испытаний на
различных образцах одного и того же прибора приводит к
дополнительным погрешностям.
Помимо этого, большое значение имеет неоднородность
резин, которая является следствием строения самого
каучука и неравномерного распределения в нем других
ингредиентов.
Эти погрешности носят название случайных. На практике
при проведении большого числа идентичных испытаний, помимо
случайных, можно выявить систематические погрешности. Для
них может быть установлена определенная закономерность их
изменения, учет которой приводит к поправкам результатов, их
уточнению. Так, например, можно изучить влияние толщины
образцов данной формы при конкретном виде испытания и
учесть его, пересчитывая результаты, а именно, приводя их к
одной определенной толщине. Систематическая погрешность
может явиться также следствием неисправности прибора и
может быть найдена при сопоставлении результатов испытания
на нескольких идентичных приборах.
Закономерности проявления случайных погрешностей
описываются теорией вероятности^4. Для их оценки необходимо
произвести большое число по возможности одинаковых
испытаний и характеризовать полученные результаты
статистическими методами.
Ниже рассматривается простейший пример статистической
обработки результатов п однотипных измерений, проведенных
в строго идентичных условиях. На основании этих
данных устанавливаются допускаемые расхождения между
отдельными результатами испытаний, а также их число,
необходимое для подсчета среднего арифметического с заданной
точностью.
3. Общие требования к приборам и методам механических испытаний 19
Пусть распределение результатов Хг общего числа п
испытаний дается в следующем виде:
Результаты Хх Хг Х3- ¦ ¦ Xs
Число соответствующих
результатов n-i щ пъ ¦ ¦ ¦ ns
Средняя арифметическая величина результатов X равна*:
s
2 niXi
Разброс (рассеяние) показателя Хг около своего среднего
значения X характеризуется средним квадратичным значением
отклонения или стандартом, а**:
1/2 riiiXt -
XJ
Если распределение результатов (нормальное) описывается
законом Гаусса, то число щ значений Хг*** должно
удовлетворять выражению
2т,
* Поскольку X зависит от числа измерений п, она называется
выборочной, в^отличие от истинной, или генеральной средней арифметической
величины Хо.
** Величина а также зависит от числа измерений п и носит название
выборочного стандарта, в отличие от генерального стандарта о0, который
может быть определен по упрощенной формуле:
Аналогично можно оценить и генеральную среднюю:
_ _ За
Хо = X ± -^
*** Обычно X/ есть средняя величина для выбранного интервала dx
группы показателей. Например, для группы показателей, изменяющихся от Ї50
До 154, Xt= 152, dx=o.
Введение
Гауссовы кривые распределения показателей даны на рис. 1.
о
Чем больше отношение х= "х". тем шире диапазон значений,
охватываемых кривой при достаточно больших-^-. Это отно-
шение х= ~~^ , характеризующее распределение показателей,
или относительную погрешность измерений, называется
коэффициентом вариации.
Результаты,
отклоняющиеся от наиболее часто
встречающегося значения
больше, чем на За,
практически очень редки. Наиболее
часто встречающийся
результат близок к X. Таким
образом, получить_значения,
которые выше Х+За или
ниже X—3d, мало 'вероятно,
и если такие значения
получены, их считают
«ошибочными» и не принимают во
внимание.
Итак, если
распределение результатов является
нормальным, средняя
арифметическая величина X и
стандарт ff достаточны для
его описания.
Зная эти величины, можно определить число опытов N,
необходимых для оценки генеральной средней с заданной точностью
? и вероятностью Р*.
г
Заданная точность равна $ — ~j[> где є — абсолютная
величина отклонения определяемой на опыте средней выборочной
X от генеральной средней Хо:
Рис. 1. Гауссовы кривые
распределения показателей (относительной час-
тоты
ы
п
'-11 =
случаев
ны Хі
-^ = 0,5;
X
измерения
) при:
2 X
величи-
= 0,1.
* Если событие всегда совершается, его вероятность Р равна единице.
Если же событие никогда не наступает, то Р=0.
3. Общие требования к приборам и методам механических испытаний 21
Если выбрана вероятность Р получения результатов с зз-
данной точностью, тогда (для большого числа образцов):
где а — функция Р, находимая из таблиц.
Так, при Р = 0,99 а = 2,58; при Р = 0,9 а=1,65*.
Если значение N, рассчитанное по а, ? и %, получится
меньше 25, то его следует пересчитать из неравенства Чебышева:
Обычно в методиках указывается число результатов
испытаний N, из которых можно получить среднее арифметическое
значение показателя испытания X с заданной точностью.
Поскольку вероятность Р<1 (для Р=\ N-*-oo), могут оказаться
результаты, отклоняющиеся от среднего арифметического
больше чем на ? ¦ 100%.
Эти результаты отбраковывают, рассчитывая новое среднее
арифметическое.
Можно задать число испытываемых образцов jV и, зная х>
вычислить точность (в %), т. е. ? -100, или допускаемые
отклонения.
Эти отклонения от средней X для ряда стандартных
испытаний, взятые из ГОСТ 269—53 и новых стандартов, указаны
в табл. 1**.
Разброс показателей испытания зависит от различных
факторов:
1) точности испытательных приборов;
2) методики испытания (последовательности операций,
начиная от заготовки образцов, измерения их размеров,
кондиционирования, установки образцов в приборе и кончая
вычислением результатов);
3) соотношения минимальных значений величин, которые
можно измерить данными приборами, и колебаний
определяемого механического свойства в зависимости от незначительных
изменений состава и способа изготовления испытываемого
материала (так называемой «чувствительности метода»);
* Обычно для расчета выбирают Р=0,99.
** Средняя X вычисляется из результатов всех испытаний, а под N
подразумевается минимальное число результатов, остающихся для вычисления
окончательной средней X.
Введение
Таблица 1
Допускаемые отклонения и минимальное число результатов вычисления
№
ГОСТ
270—53
262—53
208—53 ]
> ¦
252—53 J
210—53
268—53
265—41
253—53
263—53
264—53 \
6768—53 }
209—62
410—41
411—41
408—53
9983—62
Наименование
Определение предела прочности резины при
растяжении
Испытание резииы на раздир
Определение полезной упругости резины при
растяжении на гистерезисиой и на
разрывной машинах
Определение модуля эластичности резины
иа модульном приборе
Определение остаточного удлинения резины
Испытание резииы на сжатие
Определение твердости резииы твердомером
ТИТЛА О
1 LL11H-Z
Определение твердости резины твердомером
ТМ 9
Определение прочности связи между слоями
резины с резиной, прорезиненных тканей
между собой и резины с другими
материалами при расслоении на гистерезисной и
на разрывной машинах
Резина. Определение прочности связи резины
с металлом методом отрыва
Определение прочности срязи резины с
металлом при сдвиге
Определение прочности связи резины с
металлом при отслаивании
Определение морозостойкости резины на
приборе НИЭИРП
Резина. Определение сопротивления
образованию и разрастанию трещин при
многократном изгибе
Допускаемые
отклонения
от среднего
%
10
10
7,5
5
5
7,5
2,5
5
10
7,5
7,5
10
10
20
N
3
3
3
3
3
3
3
3
3
3
3
3
3
4
4) колебаний показателей измеряемого механического
свойства, которые связаны со структурными особенностями
испытуемого материала.
Первые три группы факторов определяют собственно
точность метода, и здесь закономерно требование минимального
разброса показателен. Что касается последней группы
факторов, то вызываемый ими разброс показателей зависит главным
образом не от метода, а от испытуемого материала. Метод
неудовлетворителен, если он не дает возможности определить
колебания свойств, связанные со структурными особенностями
материала и изменением в его составе.
3. Общие требования к приборам и методам механических испытаний 23
Введем некоторые представления о количественной оценке
точности метода5^6.
Если истинное значение величины, измеряемой данным
прибором, равно а, а произвольный результат г'-того измерения Хі,
.. , Хі—а -р,
то относительная ошибка измерения составляет ot = . fcc-
ли проведено k измерений, то средняя относительная ошибка
равна
k
? (хі ~ а)
О =
ka
Пусть для получения конечного (косвенного) результата
необходимо произвести последовательно / независимых измерений.
в каждом из которых получается некоторая средняя ошибка
измерения ос. Тогда относительная ошибка конечного
результата составит:
т. е. примерно равна сумме относительных ошибок
независимых последовательных измерений.
Примером такого рода измерений является определение
нагрузки с помощью электронных силоизмерителей, описанных
в главе II. Здесь деформация упругого элемента датчика,
вызванная нагрузкой в образце, измеряется электрическим мостом,
усиливается и записывается самопишущим прибором.
Суммарная ошибка складывается из ошибок калибровки упругого
элемента, моста, усилителя и самописца.
Мерой точности измерительного прибора (или отдельной
операции) служит величина:
/г"
Vk
где а — средняя квадратичная ошибка измерения, определяемая
так же, как и стандарт, при проведении п повторных
измерений одной и той же величины (или п последовательных
операций); при этом чем больше п, тем ближе находимое
значение h к истинной мере точности.
24 Введение
Как видно из сказанного о причинах разброса показателей,
точность метода определяется совокупностью целого ряда
факторов. Так, точность измерения нагрузки при заданной
деформации в случае идеально изготовленных образцов материала,
стабильного по своим свойствам, зависит не только от
точности измерения нагрузки и точности измерения деформации, но
и от функциональной связи этих параметров (нагрузка —
деформация), присущей данному материалу7.
Если функциональная связь отдельных показателей Хі (при
/=1,2, ... т), для которых соответствующие меры точности
измерений — hi, имеет вид:
Х2 = / (Х1г Х2,... Х,„)
то мера точности общего результата равна:
/D
Что касается точности собственно метода, то определить ее
можно было бы также на идеальном материале с наиболее
стабильными характеристиками, либо сопоставляя два разных
метода, определяющих одно и то же свойство. Косвенно о
точности метода можно судить по минимальной суммарной
погрешности, испытывая ряд резин резко различного состава с
разными колебаниями измеряемых свойств.
Естественно, допускаемые отклонения, записываемые в
стандартах, должны определяться по резинам, дающим
максимальный разброс показателей.
Надежность вычисления допускаемых отклонений зависит
от распределения наблюдаемой величины. Если распределение
существенно отклоняется от нормального, или гауссова,
необходимо применять более сложные статистические методы,
рассматриваемые в специальных работах8.
Исключение результатов измерений, отличающихся от
средней арифметической X больше чем на ? -100%,
рекомендованное ГОСТ 269—53, фактически не обеспечивает9 определение
новой средней (вычисляемой из оставшихся результатов) с
заданной точностью ?- 100%.
Рекомендовано9'10 отбраковку результатов наблюдений
производить «по правилу трех er», а не в процентах от средней
арифметической. Иначе говоря, при вычислении средней
арифметической следует не принимать во внимание только результаты,
лежащие вне интервала Х±3а. Однако для этого необходимо
4. Стандартизация методов испытаний 25
изучить распределение показателей, что требует испытания
достаточно большого числа образцов.
Испытывая сравнительно небольшое число образцов,
целесообразно говорить_ о доверительных пределах измерений, а
именно: значения X±3alYn> лежащие в доверительных
пределах, по существу, нельзя считать отличающимися друг от
друга.
Касаясь распределения показателей, получаемого в
отдельных группах испытаний, необходимо отметить общее правило,
непосредственно вытекающее из эксперимента. При испытаниях
резины до разрушения (на разрыв, раздир, долговременную
прочность, старение, усталость и т. п.) наблюдается
закономерное повышение разброса показателей с увеличением времени,
протекающего от начала нагружения до момента разрушения
образца. Время до разрушения тем больше, чем «мягче»
условия испытания (в частности, чем ниже нагрузки и деформации,
температуры испытания и инертнее окружающая среда).
Повышение разброса показателей, по-видимому, главным
образом связано с развитием химических и механо-химических
процессов в резине. Вследствие этого, как правило, статические
испытания на разрыв и раздир и динамические ударные, в
которых разрушение образца достигается в короткий промежуток
времени при однократноім нагружении, характеризуются
сравнительно более низким разбросом показателей, чем длительные
испытания на долговременную прочность (в области малых
нагрузок), испытания на старение и в особенности динамические
испытания на усталостную прочность или выносливость, а
также прочность связи в многослойных системах.
4. СТАНДАРТИЗАЦИЯ МЕТОДОВ ИСПЫТАНИИ
В свете рассмотренных требований очевидно, какое
существенное значение приобретают вопросы стандартизации
методов испытания.
Стандартизация совершенно необходима для получения
сравнимых результатов на двух однотипных приборах по
одинаковой методике как в пределах одной и той же лаборатории,
так и в особенности в различных лабораториях.
Стандартизации подлежат все методы, используемые для
оценки качества выпускаемой продукции. К последней
относятся не только резиновые изделия, но и сырье для их
производства. В частности, готовой продукцией являются каучук, а
также некоторые полуфабрикаты предприятий резиновой
промышленности.
26 Введение
Стандартизуются все контрольные приемо-сдаточные
испытания. В случае межоперационного контроля допускается
применение внутризаводских методик, лишь бы было обеспечено
требуемое качество готовой продукции.
В СССР некоторые механические методы испытаний резины
впервые были стандартизованы в 1935 г. Примерно в эти же
годы началась стандартизация механических методов в
других странах Европы*.
Стандарты различных стран (советские ГОСТ, американские
ASTM, британские BS 903, ФРГ DIN, французские AFNOR NF,
итальянские UNI и др.) зачастую существенно отличаются друг
от друга. Это неудивительно, если принять во внимание
условность показателей, характеризующих то или иное механическое
свойство, а также своеобразие путей науки и испытательной
техники в каждой стране.
Когда поставщиками и потребителями каучука и резиновых
изделий являются различные страны, наличие неодинаковых
стандартов служит тормозом в деле развития международной
торговли. Для нахождения общего языка необходимы единые
международные методы оценки механических свойств. Выбором
наиболее рациональных методов для этих целей, их
согласованием, унификацией и принятием в окончательной редакции
занимается Международная организация по стандартизации, ее
Технический комитет по резине (Комитет 45) (ISO/TC45
Rubber).
Стандартизованная методика испытания содержит
следующие основные разделы:
1. Назначение метода, принцип испытания и перечень
получаемых показателей.
2. Характеристика образца для испытания.
3. Требования к испытательной аппаратуре. При
необходимости стандартизуются отдельные, наиболее ответственные
детали прибора или весь прибор, способы его наладки и
тарировки и указываются (обычно для контрольных испытаний)
конкретные условия испытания.
4. Последовательность проведения испытания.
5. Выражение результатов испытания.
Стандарт должен быть изложен так, чтобы содержать
основные принципиальные положения, не допускающие двоякого
истолкования результатов, строго регламентирующие все
параметры, непосредственно влияющие на показатели испытания.
В то же время он не должен служить тормозом к развитию и
* Вопросы стандартизации периодически обсуждаются в СССР на научно-
технических совещаниях и конференциях11112.
Литература 27
внедрению более совершенных способов измерения. В
частности, поэтому в нем по возможности должны отсутствовать
описания конкретных конструкций испытательных приборов,
которые в будущем могут быть заменены более совершенными.
Для облегчения понимания стандарта могут даваться схемы
или принципиальные узлы, но не в виде обязательного, а в
виде одного из возможных вариантов прибора.
В стандартах обычно находят отражение общие требования
к методам и приборам, сформулированные в ГОСТ 269—53, ASTM
D15«57T, ASTM D1349—58Т, ASTM El 04—51 и ASTM
El 05— 56Т.
В стандартах США обусловлены также основные
требования к проведению межлабораторных испытаний (ASTM
D1421—56Т) и издан национальный стандарт по применяемым
терминам (ASTM Е6—54Т). Терминология, применяемая
советскими резинщиками, нашла отражение в сборнике
«Термины по каучуку и резине»13.
ЛИТЕРАТУРА
1. Б. В. Г н е д е н к о, А. Я. Хитин, Элементарное введение в
теорию вероятностей, Гостехиздат, 1946.
2. В. И. Романовский, Применение математической статистики
в опытном деле, Гостехиздат, 1947.
3. А. М. Дли к, Математическая статистика в технике, «Советская наука»,
1951.
4. И. Н. Бронштейн, К- А. С е м е н д я е в, Справочник по
математике, Физматгиз, Москва, 1962.
5. Р. С. Г у т е р, Б. В. О в ч и н с к и й, Элементы численного анализа
и математической обработки результата опыта, гл. VI, Физматгиз,
1962.
6. Б. М. Щ и г о л е в, Математическая обработка наблюдений, гл. XIII,
Физматгиз, 1962.
7. R. G. N е w t о п, India Rubb. J., 114, № 20, 643; № 21, 675; № 22, 707,
715 A948).
8. А. X а л ь д, Математическая статистика с техническими приложениями,
Гостехиздат, 1956.
9. И. И. Г о л ь д б е р г, Каучук и резина, № 6, 23 A957).
10. С. Б. Ратнер, С. В. Буров, Каучук и резина, № 5, 17 A957).
11. С. А. Иванова, О проекте Государственных Общесоюзных
стандартов: Резина. Методы испытаний. Материалы научно-технической
конференции по усовершенствованию и стандартизации методов физико-
механических испытаний каучука и резины 27—30 июня 1950 г., Гос-
химиздат, 1951.
12. В. В. Ильин, А. И. Л у к о ы с к а я, М. М. Р є з н и к о в с к и й,
Стандартизация, № 8, 31 A963).
13. Термины по каучуку и резине, Госхимиздат, 1949, под ред. П. И. Захар-
ченко, Ф. И. Яшунской.
Глава І
ИСПЫТАНИЯ КАУЧУКОВ И РЕЗИНОВЫХ СМЕСЕЙ
I. ОСНОВНЫЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ О МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВАХ
КАУЧУКОВ И РЕЗИНОВЫХ СМЕСЕЙ
Каучук — основное сырье резиновой промышленности.
Смешение каучука с другими ингредиентами резиновой смеси,
так же как и предварительное формование изделий, может
быть проведено достаточно эффективно лишь при условии, что
каучук обладает необходимой пластичностью, т. е.
способностью к механически необратимым деформациям.
Пластичность является поэтому важнейшим показателем,
характеризующим технологические качества каучуков и сырых
резиновых смесей.
Последние, однако, наряду с пластичностью обладают и
высокоэластичностью, т. е. способностью к механически
обратимым деформациям. Придание каучуку пластических свойств,
достигаемое механической либо тепловой его обработкой,
сохранение им этих свойств на всех этапах технологического
процесса и, наконец, превращение его путем вулканизации в
резину— высокоэластический материал, не обладающий
пластичностью, является принципиальной основой всей современной
технологии изготовления любых резиновых изделий или
деталей.
Пласто-эластические свойства
При характеристике механического поведения каучуков и
сырых смесей первоочередным является вопрос о соотношении
пластической и высокоэластической составляющих в общей
деформации. Так же как и у любых линейных полимеров,
общая деформация всегда может рассматриваться как сумма
трех деформаций: истинно упругой, высокоэластической и
пластической1. Истинно упругая деформация устанавливается
практически мгновенно и ее величина почти не зависит от
температуры. Для каучуков и сырых смесей при обычных
температурах и скоростях нагружения она всегда мала (по
сравнению с высокоэластической и пластической деформациями) и
ею поэтому, как правило, можно пренебречь.
/. Представления о механ. свойствах каучуков и резин, смесей 29
Представление о соотношении между истинно упругой и
высокоэластической составляющими деформации может быть
получено сопоставлением деформируемости материала при
температуре ниже температуры стеклования с его
деформируемостью при обычной температуре.
В отличие от упругой высокоэластическая деформация
развивается во времени, причем скорость достижения
равновесного, либо стационарного, значения существенно зависит от
температуры.
Пластическая деформация, по существу, есть следствие
вязкого течения материала под действием внешней силы.
Если в первом приближении пренебречь релаксационной
природой высокоэластичности, то можно принять, что связь
между напряжением и высокоэластической деформацией при
сдвиге описывается линейным законом вида2'3:
где а — напряжение;
Євзл- — высокоэластическая деформация;
Евэп- —¦ модуль высокоэластичности, соответствующий
стационарному состоянию.
Если принять также, что вязкое течение подчиняется
линейному закону Ньютона:
dt
где т) — вязкость, выражаемая в пуазах, то из представления об
аддитивности деформаций:
следует:
dt ?вэл. ' dt + і) Iі)
Аналогичное уравнение A) было предложено еще в 1867 г.
Максвеллом, применившим его для описания поведения
некоторых материалов, обладавших аномальными механическими
свойствами. Наглядное представление о свойствах такого
упруго-вязкого тела дает механическая модель, изображенная на
зо
Гл. 1. Испытания каучуков и резиновых смесей
о
о
о
о
о с
о с
о
о
о
рис. 2,а. Она состоит из двух последовательно соединенных
элементов: «упругого», характеризуемого пружиной,
деформирующейся по закону Гука, и «вязкого», моделируемого
демпфером, в котором перемещения поршня описываются законом
Ньютона.
С помощью модели легко объяснить поведение
упруго-вязкого тела при различных видах нагружения.
Рассмотрим, например, действие не изменяющегося во
времени напряжения а. Приложенное в момент t=t0, оно вызовет
а
мгновенную упругую деформацию пружины, равную ~~]Г • То же
напряжение, приложенное к
демпферу, приведет к тому,
что его поршень начнет
перемещаться с постоянной
скоростью de/dt.
В дальнейшем течение
будет развиваться
совершенно так же, как и в
обычной вязкой жидкости. В
любой момент времени
общая деформация модели
может быть представлена как
сумма упругой
составляющей, не изменяющейся во
времени, и вязкой,
нарастающей согласно
линейному закону Ньютона.
Отличие рассматриваемой системы от вязкой жидкости обнаружится,
однако, при прекращении действия внешней силы. Ясно, что при
этом пружина мгновенно восстановит свою первоначальную
форму, в то время как поршень демпфера останется в том
положении, которое он занимал в момент прекращения действия
внешней силы. Схематически деформация упруго-вязкого тела при
рассмотренном режиме нагружения представлена на рис. 3
сплошной линией.
В качестве примера рассмотрим также приложение
уравнения A) к описанию механического поведения тела при
заданной деформации. В этом случае е = const, de/dt=0, и уравнение
можно записать в виде:
Рис. 2. Механические модели:
а—упруго-вязкое тело (Максвелл); б—эластично-
вязкое тело; Е, Евэл —модули; г],
тд—вязкость.
dt
¦ о = — то
где т =
постоянная, называемая временем или
периодом релаксации.
1. Представления о механ. свойствах каучуков и резин, смесей
31
Интегрирование уравнения B) с учетом начального условия
0 = 0о при ^ = 0 дает экспоненциальный закон релаксации вида:
о = о0е~ф C)
Недостаточность рассмотренной модели для описания
механических свойств каучука прежде всего связана с тем, что не
учитывается релаксационная природа высокоэластической
деформируемости'. Фактически развитие высокоэластической
деформации после приложения внешней силы, так же как и ее
изчезновение после разгрузки, будет происходить во времени.
Рис. 3. Развитие деформации є во времени t при
постоянном напряжении (схема):
• упруго-вязкое тело; линейный
полимер; евэл и епл — высокоэластическая и пластическая
составляющие' деформации; t0— начало деформации; t'—
завершение разЕития высокоэластической деформации; t1—раз-
dt сто
гружеиие; tg ф = = —-.
dt ті
Пунктирная кривая на рис. 3 иллюстрирует сказанное. Время
Ґ—^о, необходимое для установления стационарного течения,
определяется кинетикой развития высокоэластической
составляющей деформации. Оно бывает иногда весьма велико, так
что в реальных условиях нагружений, применяемых при
лабораторных испытаниях, эта стационарность часто вообще не
достигается. Последнее обстоятельство является причиной
многих ошибок и недоразумений, возникающих при истолковании
результатов лабораторных испытаний каучуков.
Релаксационный характер высокоэластической деформации приближенно
может быть учтен некоторым усложнением модели,
представленной на рис. 2,а. Усложнение сводится к введению еще одного
вязкого элемента для демпфирования пружины, моделирующей
способность к высокоэластической деформируемости. Такого
рода модель представлена на рис. 2,6.
Вязкость т)і моделирует в этом случае то внутреннее трение,
которое препятствует мгновенному развитию
высокоэластической деформации.
32 Гл. 1. Испытания каучуков и резиновых смесей
Учет релаксационного характера высокоэластической
составляющей деформации существенен лишь при описании течения в
условиях неустановившегося режима. Стационарное течение,
наступающее после того, как высокоэластическая деформация
развивается полностью, протекает для рассматриваемой
модели в общем так же, как и в упруго-вязком теле с мгновенно
развивающейся упругостью.
Недостаточность модели (см. рис. 2,6) сказывается,
однако, в том, что закон течения Ньютона не дает количественного
описания явления даже в простейшем случае установившегося
режима. Неньютоновский характер течения каучуков
обнаруживается при сопоставлении стационарных значений скорости
течения, определенных при различных значениях
деформирующего усилия. Оказывается, что требуемая законом Ньютона
пропорциональность скорости течения приложенному
напряжению не соблюдается, причем эффективные значения вязкости,
определяемые как отношение напряжения к соответствующей
скорости сдвига, закономерно убывают с ростом приложенного
напряжения.
Одной из очевидных причин такой аномалии вязкости
является зависимость конфигурации перемещающихся при
течении макромолекул от величины высокоэластической
составляющей деформации и, следовательно, от напряжения.
Осложнения, связанные с релаксационной природой высоко-
эластичности и неньютоновским характером течения, возникают
из-за особенностей строения каучукового полимера и не могут
быть целиком приписаны влиянию других компонентов
резиновой смеси.
При рассмотрении пласто-эластических свойств резиновых
смесей нужно учесть дополнительные осложнения, вносимые
присутствием высокодисперсного наполнителя. Под
воздействием деформирующих усилий происходит обратимое
разрушение пространственной структуры, что приводит к тиксотропии
и тем самым влияет на пласто-эластические свойства резиновых
смесей. Из-за больших сдвиговых напряжений, которые
развиваются в резиновых смесях при их переработке, так же как и
при проведении некоторых механических испытаний, наряду с
обратимыми изменениями свойств, обусловленными
разрушением слабых ван-дер-ваальсовых связей, при механических
воздействиях на каучук могут, в определенных условиях,
разрушаться и рекомбинировать также и химические связи.
Количественная оценка эффектов, связанных с тиксотропным
поведением материалов, является довольно сложной задачей, и на
практике обычно оценивают суммарное влияние различных
факторов на пласто-эластические свойства резиновой смеси.
/. Представления о мёХан. свойствах каучуков и резин, смесей 33
Применяемый во многих физических исследованиях общий
Метод описания механических свойств полимеров основан на
представлении о наборе времен релаксации. Физический смысл
такого подхода в том, что тепловое движение, лежащее в
основе релаксационного процесса, может осуществляться как
относительно независимое перемещение участков молекулярных
цепей полимера, причем эти участки могут иметь разные
размеры и, следовательно, разную подвижность4. Математически
метод сводится к описанию неэкспоненциального релаксационного
процесса с помощью суммы экспонент того же вида, что и в
соотношении C), но с
различными значениями пока- №
зателей. '
Уравнение релаксации
может быть в этом случае
записано в форме:
а = Еа„е-^ D)
Если воспользоваться
модельными представлениями,
то уравнению D) соответст- Рис- 4- Модель, описывающая меха-
rvpt ригтрмя ич п пяпял ническое поведение материала, обла-
вует система из п парал дающего «иабОром времен релакса-
лельно соединенных
элементов Максвелла так, как это
показано на рис. 4.
В наиболее общем
случае число элементов бесконечно велико, а значения периодов
релаксации могут описываться некоторой непрерывной
функцией распределения. При таком способе описания уравнение
релаксации принимает вид:
дни»
Ег
'/zdz
E)
где Е(т)—составляющая модуля упругости, соответствующая
значениям периода релаксации, лежащим в
интервале от х до x+dx.
Аналогично релаксации может быть описан и процесс
ползучести (т. е. деформации под воздействием не изменяющегося во
времени напряжения).
В последнем случае таким же путем получим соотношение:
(Q)
3—2406
34 Гл. 1. Испытания каучуков и резиновых смесей
в котором /(т)—составляющая упругой податливости (т. е.
величины, обратной модулю: /=1/?), также соответствующая
значениям т, лежащим в интервале от х до x + dx.
Из приведенных соотношений следует, что для
количественного описания механического поведения линейного полимера
нужно знать вид функций распределения Е(х) и /(т). В
каждом конкретном случае он может быть найден из
экспериментальных кривых релаксации либо ползучести. При этом надо
иметь в виду, что релаксационные свойства весьма
существенно зависят от температуры и поэтому надежные данные могу г
быть получены лишь при условии, что экспериментально
найденные зависимости охватывают весь практически важный тем-
пературно-временной интервал.
Вопрос о температурной зависимости релаксационных
свойств имеет очень большое практическое значение. Ускорение
протекания релаксационных процессов, достигаемое
повышением температуры, лежит в основе многих технологических
процессов. В частности, все операции по переработке и
формованию сырых резиновых смесей проводят при повышенной
температуре.
В качестве первого приближения для описания зависимости
периода релаксации х от температуры используют обычно5
уравнение:
и
х = Ле*г G)
где Л — константа, имеющая размерность времени и
физический смысл периода релаксации материала при весьма
высокой температуре либо в отсутствие
межмолекулярного взаимодействия;
O — кажущаяся энергия активации;
k — константа Больцмана;
Т—абсолютная температура.
В общем соотношение G) применяется для описания
температурной зависимости периода релаксации т, входящего в
уравнение Максвелла, так же как и при количественной
характеристике той же зависимости для любого значения времени
релаксации, входящего в набор, описываемый рассмотренными выше
функциями распределения.
Из общих физических представлений о сущности
релаксации следует, что механическое поведение упруго-вязких
материалов при неравновесных режимах иагружеиия зависит от
численного значения некоторого безразмерного параметра,
представляющего отношение времени действия внешней силы к
периоду релаксации системы.
/. Представления о механ. свойствах каучуков и резин, смесей 35
В этом отношении числитель зависит от временного режима
нагружения, в то время как знаменатель, в соответствии с
соотношением G), определяется температурой. Отсюда следует,
что одновременным и соответствующим изменением временного
режима нагружения и температуры можно сохранить значение
параметра, а следовательно, и механическое поведение
материала неизменным.
Общее правило о том, что понижение температуры
испытания влияет на механическое поведение каучуков и резин так же,
как повышение скорости нагружения, хорошо известно всем
технологам и широко используется ими при построении темпе-
ратурно-временных режимов переработки каучуков и сырых
смесей, равно как при анализе конкретных режимов
механического нагружения резин в различных условиях эксплуатации.
Количественная формулировка этого правила получила
название принципа температурно-временной суперпозиции и легла в
основу так называемого метода приведения переменных, смысл
которого заключается в том, что экспериментально сложное
либо слишком длительное исследование временных зависимостей
в ряде случаев может быть заменено изучением того же
явления при разных температурах.
Подробнее о принципе температурно-временной
суперпозиции и методе приведения переменных будет сказано ниже при
рассмотрении механических свойств резин. Описание
механических свойств каучуков и сырых резиновых смесей с
привлечением представлений о наборе времен релаксации,
характеризуемом непрерывной функцией распределения, с физической точки
зрения безусловно целесообразно. Однако этот метод ввиду
некоторой сложности математического аппарата до сих пор не
получил достаточно широкого практического применения.
По-видимому, для описания механического поведения каучуков
и сырых смесей при стационарных режимах следует
использовать более простые методы.
Как уже указывалось выше, при стационарном течении
каучуки и сырые смеси ведут себя, как жидкости, не
подчиняющиеся, однако, закону вязкого течения Ньютона.
Общий характер зависимости между напряжениями и
скоростью сдвига для большинства известных каучуков и
реальных смесей на их основе удовлетворительно описывается
эмпирическим соотношением2'6:
содержащим две постоянные ф и п, численное значение которых
зависит от свойств материала и выбранной системы единиц.
36 Гл. 1. Испытания каучуков и резиновых смесей
Если скорость сдвига выражать в рад/сек, а напряжение в
дин/см2, то постоянные г|? и п при 70 °С имеют значения2:
для невальцованного натурального
каучука (НК) 0,0036 3,7
для НК, пластидирова иного на
вальцах A ч при 70 °С) .... 0,65 2,15
для бутадиен-стирольного каучука
(Буна) 3,6 4,1
Соотношение (8) применимо в ограниченном интервале
изменения напряжений и скоростей сдвига и надежно при
условии, что постоянные г|? и п экспериментально определены при
значениях параметров, укладывающихся в этот интервал*.
Практическое применение это соотношение получило при
решении некоторых задач по расчету оборудования и режимов
технологической переработки полимерных материалов, в том
числе каучуков и резиновых смесей6'7.
Вулканизуемость
Реальные резиновые смеси в числе своих ингредиентов
обязательно содержат вулканизующие агенты. Рецептура
строится так, чтобы вулканизация не происходила с заметной
скоростью при тех температурах, которые могут развиваться
на стадиях смешения, формования, сборки. При температуре,
создаваемой в вулканизационном оборудовании, наоборот,
процесс должен протекать достаточно быстро. Отсюда следует, что
лабораторное определение вулканизуемости имеет большое
значение при характеристике свойств резиновых смесей,
особенно при производственном контроле.
Хотя вулканизуемость есть в общем химическое свойство
смеси, оценка ее производится обычно на основании
механических испытаний вследствие того, что в процессе вулканизации
происходит качественное изменение механических свойств
смеси, проявляющееся прежде всего в потере текучести.
Характеристикой вулканизуемости является при этом кривая,
выражающая зависимость того или иного показателя механических
свойств резиновой смеси от длительности ее термостатирования
при данной температуре. Само испытание может быть
непрерывным, если показатель механических свойств определяется в
стационарном режиме нагружения, либо состоять из ряда по-
* Приведенные выше значения ф и п получены в интервале изменений
напряжений от 10* до 10е дан/см2.
1. Представленая о механ. свойствах каучуков и резин, смесей 37
следовательных испытаний на серии образцов, если режим
механического нагружения нестационарен. Преимущества
испытаний в стационарном режиме очевидны.
Резкое снижение текучести (либо возрастание вязкости)
характеризует начало вулканизации. Развитие вулканизационного
процесса приводит, однако, к быстрой потере способности к
вязкому течению, почему наблюдение за вязкостью не может быть
использовано для характеристики вулканизуемости на всех
стадиях. Отсюда следует, что по изменению вязкости нельзя,
например, судить об оптимальном времени вулканизации смеси.
Потеря текучести наступает раньше, чем заканчивается процесс
вулканизации, и резина приобретает оптимальный для
данного состава комплекс свойств.
Для характеристики кинетики вулканизации на всех
стадиях процесса целесообразно наблюдать за изменением
эластических свойств смеси. В качестве одного из показателей
эластических свойств при испытаниях, осуществляемых в
стационарном режиме нагружения, может быть использован динамический
модуль. Подробно об этом показателе и о методах его
определения будет сказано в разделе 1 главы IV, посвященном
динамическим свойствам резин. Применительно к задаче контроля
резиновых смесей по кинетике их вулканизации определение
динамического модуля сводится к наблюдению за механическим
поведением резиновой смеси, подвергаемой деформации
многократного сдвига при повышенной температуре. Вулканизация
сопровождается ростом динамического модуля. Завершение
процесса определяется но прекращению этого роста. Таким
образом, непрерывное наблюдение за изменением динамического
модуля резиновой смеси при температуре вулканизации может
служить основой определения так называемого оптимума
вулканизации (по модулю), являющегося одной из важнейших
технологических характеристик каждой резиновой смеси.
Клейкость
В ряду свойств, определяющих технологические качества
резиновых смесей, немаловажное значение имеет клейкость.
Клейкость, т. е. способность к прочному соединению между
собой двух приведенных в контакт образцов смесей,
является необходимым условием проведения большинства
операций по сборке любых сколько-нибудь сложных резиновых
изделий.
Вопрос о природе клейкости резиновых смесей в настоящее
время нельзя считать решенным. Наибольшее число
приверженцев имеет так называемая диффузионная теория8, рассмат-
38 Гл. 1. Испытания каучуков и резиновых смесей
ривающая склеивание как постепенное уничтожение
физической границы раздела между сдублированными смесями за счет
взаимной диффузии макромолекул из слоя в слой (через
поверхность соприкосновения). Поскольку диффузионные
процессы протекают во времени, прочность сцепления должна
зависеть от длительности дублирования, а также от температуры,
повышение которой означает ускорение теплового движения
молекул.
Основные опытные данные по зависимости прочности
склеивания однородных по составу резиновых смесей от контактного
давления, температуры и длительности дублирования в общем
согласуются с диффузионной теорией склеивания. Важно
отметить также, что при длительном дублировании и достаточном
дублирующем давлении прочность связи между склеиваемыми
образцами стремится к некоторому предельному значению,
близкому к прочности самих образцов.
Диффузионной теории могут быть противопоставлены
представления о склеивании как о процессе, связанном с
поверхностным взаимодействием (химическим либо физическим),
осуществляемым там, где достигается необходимый контакт
между дублируемыми образцами9.
Благодаря тому что дублируемые поверхности шероховаты,
площадь истинного контакта обычно меньше номинальной.
Длительное дублирование и приложение давления приводят к
постепенному увеличению площади истинного контакта за счет
развития пластических деформаций.
Таким образом, для объяснения общего характера
зависимости прочности склеивания от давления, температуры и
длительности дублирования представления о молекулярной
диффузии через поверхность соприкосновения привлекать не
обязательно. Важно также, что подвижность макромолекул,
определяющая скорость диффузии, в равной мере определяет и
кинетику развития пластических деформаций.
Очевидно, что изучение характера зависимости прочности
склеивания от длительности дублирования не может дать
какой-либо материал для выбора между диффузионной теорией и
представлениями о поверхностном взаимодействии. Несмотря
на это, зависимость прочности склеивания от длительности
дублирования, характеризуемая так называемой кинетической
кривой клейкости, представляет большой теоретический и
практический интерес.
Общий характер кинетической кривой клейкости
представлен на рис. 5. Скорость, с которой достигается предельное
значение прочности склеивания, определяемое собственной
прочностью склеиваемых смесей, тем больше, чем меньше вязкость
2. Испытания каучуков и резиновых смесей 39
дублируемых смесей. В общем случае наиболее высокую
техническую клейкость должны иметь смеси, обладающие
наименьшей вязкостью при наибольшей прочности. К сожалению,
технологические средства, применяемые для снижения вязкости
резиновых смесей (пластикация, введение мягчителен и др.),
обычно отрицательно сказываются на прочности этих смесей.
Поэтому кинетические кривые клейкости для резиновых смесей
с различной вязкостью часто выглядят так, как это
представлено на рис. 5.
-/
-г
Анализ конкретных условии
дублирования в отдельных тех-
нологических процессах позво- g
ляет целесообразно выбрать §
время дублирования, давление |
и температуру при проведении ^
лабораторных испытаний. Если
эти условия не вполне опре- - Врем контакта
деленны, то целесообразно ха- „ _ „
рактеризовать смесь не каким- Рис' 5' Кинетич™- КрИВЫ
ТО ОДНИМ СЛучаЙНЫМ Значением /^^новая смесь с большой вязкостью;
КЛЄЙКОСТИ, а ВСЄЙ КИНеТИЧесКОЙ 2~резиновая смесь с малой вязкостью..
кривой.
Количественным показателем прочности склеивания может
быть нормальное напряжение, вызывающее отрыв по
поверхности склеивания; сдвиговое напряжение, вызывающее
скалывание по той же поверхности, и, наконец, работа расслаивания,
определяемая при неодновременном отрыве.
2. ИСПЫТАНИЯ КАУЧУКОВ И РЕЗИНОВЫХ СМЕСЕЙ
До настоящего времени наиболее распространенным
испытанием каучука и резиновых смесей является определение их
деформируемости при заданном силовом воздействии, а также
соотношения пластической и высокоэластической слагающих
деформации, развивающейся при этом.
Принципиально измерить деформируемость можно
различными способами. Исторически утвердились следующие группы
методов: 1) вдавливание в испытуемый материал твердого
наконечника; 2) сжатие между плоскопараллельными плитами
или площадками; 3) продавливание через отверстия или
фильеры (насадки, мундштуки, сопла, капилляры); 4) сдвиг
между вращающимися с разной скоростью коаксиальными
цилиндрическими, коническими, дисковыми и другими
поверхностями.
40 Гл. 1. Испытания каучуков и резиновых смесей
Определение деформируемости при растяжении (испытание
на разрывных машинах) нашло меньшее распространение
вследствие того, что для ряда смесей трудно получить на
обычном оборудовании монолитные образцы достаточно однородной
толщины и с гладкой поверхностью. Это особенно важно при
испытаниях с целью определения адгезионных, когезионных и
фрикционных свойств. Изготовление образцов в виде пленок,
например из бензольных растворов, нельзя рекомендовать, так
как в этом случае их структура несколько отличается от
структуры смесей, полученных непосредственным смешением.
Необходимо подчеркнуть, что для характеристики
деформационных свойств каучука и резиновых смесей важно знать
соотношение обратимой и необратимой слагающих общей
деформации. На практике измеряют либо остаточную, либо
обратимую деформацию после разгрузки образца. Для восстановления
формы образца и практически полного исчезновения обратимой
деформации (эластическое восстановление) требуется иногда
значительное время выдержки, называемое также «отдыхом»
образца.
Как следует из рассмотрения пласто-эластических свойств
(см. стр. 28), полная характеристика материала получается на
основании измерений, проведенных в широких пределах
температур и скоростей деформации, при установившемся
(стационарном) режиме. Существующие методы определения пласто-
эластических свойств в большинстве своем не удовлетворяют
этим требованиям. Наиболее перспективными приборами в этом
отношении, по-видимому, являются сдвиговые ротационные
вискозиметры. В настоящее время на этих приборах удается
реализовать стационарный режим течения при разных температурах.
В ряде случаев достигается достаточная однородность
деформации10. В принципе возможно проведение испытаний и при
широком диапазоне скоростей10' п-!2. Однако скорости
деформации в этом случае, по-видимому, ниже тех, которые
характерны для технологических процессов переработки. Вместе с тем
реологические кривые (кривые течения) и их характеристики
[см., например, г|> и п в соотношении (8)] в значительной мере
зависят от интервала скоростей сдвига, что может быть
связано с различной степенью изменения структуры материала, с его
тиксотропией, а также с разной интенсивностью механо-химиче-
ских реакций, приводящих к необратимому изменению свойств
материалов при переработке.
Задачей ближайшего будущего является создание
приборов, дающих высокие скорости однородной деформации в
стационарном режиме и возможность измерения эластического
восстановления.
3. Методы оценки пласто-эластических свойств 41
Следует также указать на необходимость интенсивной
разработки методов измерения адгезии каучуков и резиновых
смесей к металлу. Практически существующие методы определения
клейкости (см. раздел 6 главы I) находят применение только
для оценки прилипания каучуков или резиновых смесей при их
дублировании (сборке в технологическом процессе).
Прилипание к металлическим частям оборудования проис
ходит в условиях, когда каучук или смесь течет по свежеобнов-
ленной поверхности материала. Методы, имитирующие этот
процесс, пока еще не описаны.
3. МЕТОДЫ ОЦЕНКИ ПЛАСТО-ЭЛАСТИЧЕСКИХ СВОЙСТВ
Пенетрометры
При вдавливании в испытуемый материал наконечника
деформируемость определяется по глубине погружения (пенетра-
ции). Она зависит не только от величины и времени действия
нагрузки, но и от размеров и формы наконечника. Расчет
возникающего при этом напряжения и типа деформации
затруднен, поскольку весьма существенно влияние рельефа
поверхности и других факторов, связанных с трением между
наконечником и смесью. В принципе можно учесть влияние трения,
применяя различные размеры наконечника и сохраняя его
форму.
Значительно сказывается жесткость подкладки, на которой
находится образец, особенно при малой толщине последнего.
По мере погружения наконечника влияние жесткости
подкладки усугубляется. Указанные обстоятельства затрудняют
расчеты, а иногда и искажают смысл получаемых показателей.
Для испытания необходима тщательная заготовка образцов
с гладкой поверхностью и достаточной толщины. Однако
соблюдение этих условий не повышает чувствительность методов пе-
нетрации настолько, чтобы их можно было применять наряду с
другими группами.
Можно выделить три осноеных режима испытания на
приборах рассматриваемой группы (пенетрометрах):
1. Задаются нагрузка и время ее действия и измеряется
глубина погружения наконечника*.
2. Задаются глубина погружения и временной режим и
измеряется сила выталкивания наконечника из смеси.
* В этом случае, помимо общей глубины погружения, по снятии нагрузки
через заданный промежуток времени может быть измерено эластическое
восстановление, определяемое степенью возвращения освобожденного
наконечника.
42 Гл. I. Испытания каучуков и резиновых смесей
3. Вдавливание происходит при контакте (прижиме)
поверхности образца и упорной площадки и при равновесии сил
выталкивания из смеси и упругости пружины, подпирающей
наконечник. Глубина погружения обратна деформации
пружины и тем меньше, чем больше силы выталкивания. Скорость
погружения должна быть обусловлена. Измеряется деформация
пружины.
В первом режиме проводятся испытания на пенетрометре
Гумбольдта14, универсальном пластометре Лефкадитиса15,
консистометре типа Гепплера16, твердомере фирмы «Веркштоф-
прюфмашинен»17, пластометре Данилова18. В СССР
стандартизовано испытание на пенетрометре Гумбольдта. При испытании
в образцы в виде пластинок, шайб или цилиндриков с
гладкими, строго параллельными основаниями, при толщине образцов
не менее 10 мм, в течение 10 сек погружается игла диаметром
1 мм, длиной 40 мм и радиусом закругления конца 0,5 мм, под
нагрузкой 0,15 кгс, и измеряется глубина погружения.
На ряде пенетрометров, помимо глубины погружения,
определяется восстановление смесей по выталкиванию наконечника
из испытуемого материала после разгружения индентора.
На консистометре Гепплера в смесь вдавливается (при
различных нагрузках от 0,25 до 50 кгс и температурах от —80 до
+ 150 °С) конус с углом в вершине 50°08' (вершина
«притуплена» на 2 мм). У такого конуса диаметр сечения на уровне
глубины погружения равен измеряемой глубине погружения Т.
Площадь сечения 5 = яГ2/4, а давление при нагрузке G
равно G/S.
Естественно, по мере погружения конуса давление
уменьшается, достигая того предельного значения, ниже которого
течение не развивается, а, следовательно, прекращается
проникновение конуса в материал. Нагрузка G и время ее действия
подбираются эмпирически.
Чтобы выделить необратимую деформацию, обычно
измеряют глубину погружения конуса под нагрузкой G за 1 мин
(Т\) и глубину погружения Т2 после разгрузки в течение 1 мин.
Предел текучести* вычисляется как отношение G/S2, где 5г =
=я(Г2—0,2J/4 см2, Тг — в см, 0,2 — корректировка на
величину «затупления» вершины конуса.
Во втором режиме работают дисковый пластометр Фрумки-
на и Дубинкера19 и прибор «пластофикс»20.
* Под пределом текучести подразумевается напряжение, ниже которого
не наблюдаются сколько-нибудь заметные остаточные деформации (течение).
3 Методы оценки пласто-эластических свойств 43
Третий режим характерен для работы портативных
твердомеров (см. главу III). Наиболее распространенный твердомер
Шора применяется21 и для сырых смесей. Аналогичны
пенетрометр фирмы «Файерстон»22 и роликовый пластометр Фрумки-
на и Дубинкера19.
Как видно из приведенного материала, при испытании на
пенетрометрах практически пользуются условными
показателями. Результаты различных методов нередко не согласуются
между собой даже качественно.
Усовершенствование методов может идти по линии
уменьшения влияния рельефа поверхности и размеров испытуемых
образцов, подбором соответствующего соотношения размеров и
формы образца и наконечника.
Существующие методы этой группы не оправдали себя на
практике. В принципе они не воспроизводят основных
особенностей работы перерабатывающего оборудования и потому
непригодны для сравнительной оценки технологических свойств.
Для физических испытаний они малопригодны как из-за
неоднородности напряженного состояния, реализуемого при
испытании, так и из-за трудно учитываемого влияния побочных
факторов, указанных выше.
Сжимающие пластометры
Сжатие образцов между плоскопараллельными плитами или
площадками может осуществляться различными способами
(рис. 6).
Если площадь плит (Sim) значительно больше площади
торцов образца (S06p.) 15>23~26, при постоянной нагрузке давление
во время сжатия уменьшается (рис. 6, ?). Когда обе площади
одинаковы15' їв, 21,27—зз^ по МЄрЄ сжатия часть материала выходит
за пределы сжимающих площадок, при этом в центральной зоне
образца сохраняется неизменное давление (рис. 6, в). К этому
же типу, по существу, относятся пластометры, на которых
5пл.<5Обр.34'35. На рис. 6, б изображен промежуточный способ
сжатия15'21'34- 36-40 ?o всех этих случаях осуществляется
неоднородная деформация вследствие трения между опорными
площадками и торцами образца. Поэтому результаты испытаний,
при одной и той же степени сжатия и прочих равных условиях,
зависят от формы и размеров образца.
Влияние трения может быть уменьшено при введении смазки между
образцом и сжимающими площадками.
Треиие в принципе может быть также учтено, если производить
измерения при различных соотношениях высоты образца Нп и площади его торцов
So и экстраполировать результаты к пределу, где SoC#o н трение не имеет
существенного значения.
44
Гл. 1. Испытания каучуков и резиновых смесей
V///////////////A
а
V///////////////A
Применяют два основных режима испытания на сжатие:
режим А — задается нагрузка;
режим Б — задается деформация.
При этом вследствие зависимости соотношения необратимых
и обратимых деформаций от времени должны
быть обязательно заданы скорость и время на-
гружения (либо скорость деформации и время
нахождения при заданной степени деформации),
а также время, через которое измеряется
остаточная деформация после разгрузки.
Помимо указанных, могут использоваться и
другие режимы. Так, применяется режим
заданной энергии ударного нагружения,
осуществляемый, например, при падении с определенной
высоты груза, действующего на образец41.
Деформация образца при сжатии находится
по изменению его высоты.
При строго определенных условиях
испытания (температура, время деформации и
восстановления, размеры сжимающих площадок и
образца) в режиме А показателем может служить
высота образца под нагрузкой, а в режиме Б —
нагрузка, вызывающая заданную степень
сжатия (жесткостьL2.
Если Но — начальная высота образца, #t —
высота под нагрузкой и Н2 — высота после
восстановления, то, пренебрегая неоднородностью
деформации, можно считать, что общее сжатие
составляет (Но—Hi), обратимая и необратимая
его части соответственно равны (Н2—Hi) и
(Но—Н2). При таких обозначениях эластическое
восстановление — обратимое сжатие (Н2—Hi).
Режим испытания Б следует предпочесть
режиму А, поскольку в режиме Б все образцы
доводятся до одинаковой степени сжатия (Но—#i)
и поэтому можно сравнивать их эластическое
восстановление непосредственно по значениям (Я2—Н\) или,
при одинаковой начальной высоте образца Но, — по высоте Я2
разгруженного образца*.
По ГОСТ 415—5325, пластичность Р характеризуется отношением
остаточного сжатия к средней высоте образца за время действия груза, равной
Рис. 6.
Принципиальная
схема различных
типов сжатия
при
соотношениях
поверхностей
площадок (S™.) и
торцовых
поверхностей образцов
/—площадка, диа-
ыетр которой
больше диаметра
образца; 2—площадка,
диаметр которой
равен диаметру
образца.
* Режим Б предпочтителен еще и потому, что он является действительно
режимом заданной деформации, в то время как в режиме А напряжение
изменяется неопределенным образцом.
3. Методы оценки пласто-эластических свойств 45
[(#0+#i)/2]. При этом множитель 2 в выражеиии для пластичности опускается:
Пластичность есть произведение мягкости (S) и доли остаточной
деформации в общей (R):
р _ 5^ =
В основе этих вычислений лежит понятие о пластичности, введенное Кар-
рером27.
В отличие от вышеприведенного выражения мягкости
s =
Каррер пользовался величиной
H0F
где К—константа прибора;
F—сжимающая нагрузка.
При испытании на сжимающих пластометрах существенное
значение для получения воспроизводимых результатов имеет
заготовка образцов. Наличие в каучуках и смесях «пор»
(пузырьков воздуха) приводит к искажению и несовпадению
повторных результатов. Вследствие этого необходимо
предварительное уплотнение материала, которое производится либо
путем вальцевания, либо, если вальцевание оказывается
недостаточным, путем специальной подпрессовки.
Различные способы вальцевания и прессования проб из
синтетического натрий-бутадиенового каучука описаны в
руководстве по контролю качества синтетических каучуков и латексов43.
Поскольку показатели испытания существенно зависят от
размеров и формы образцов, следует обеспечить тщательную
заготовку последних. Вырезка образцов производится на
специальных машинах.
Машина для вырезки образцов (завод «Металлист»)
показана на рис. 7.
На станине 7 смонтирована головка 2 со шпинделем 3,
вращаемым от мотора 13. Рукояткой / шпиндель может
перемещаться по вертикали. Цилиндрический нож 6 затягивается гай-
46
Гл. 1. Испытания каучуков и резиновых смесей
кой 4 в коническом гнезде шпинделя и ограждается стаканом 5,
который при вырезке цилиндрической заготовки образца из
смеси препятствует ее вращению.
Шпиндели 8 с патронами 18, расположенные по обе
стороны головки 2, служат для подрезки торцов заготовок образцов
13
Рис. 7. Машина для вырезки образцов (завод «Металлист»):
/ ю—рукоятка; 2—головка; 3, 8—шпиндель; 4—гайка; 5, IS—стакан; 5—нож;
7—станина; 9—фрикционный диск; //—шкив; 12—рычаг; 13—мотор; 14—толкатель; 15—
площадка; 17— цанга; /8—патрон.
Вращение от мотора 13 передается на шпиндели 8 при помощи
фрикционного диска 9, укрепленного со шкивом // на поворот
ном рычаге 12. Перемещая рычаг, сцепляют диск 9 со шкивом
правого или левого шпинделя подрезки. При повороте
рукоятки 10 вниз по прорези патрон 18 поднимается вверх и
находящаяся в стакане 16 цанга 17, шарнирно связанная с
толкателем 14, раскрывается на угол около 50°, что позволяет вставить
или вынуть образец. Высота образца регулируется площадкой
15 со стопорным винтом.
При повороте рукоятки 10 вверх цанга втягивается в
патрон и закрывается.
3. Методы, оценки пласто-эластических свойств
47
Передвижением рукоятки вправо или влево включают
фрикцион и производят подрезку торцовой части образца плоским
ножом, укрепленным в специальной державке. К режущим
кромкам ножей подается мыльная эмульсия.
Проверка высоты заготовленного образца производится с
помощью индикаторного микрометра с измерительной
площадкой диаметром 10 мм, с ценой деления 0.01 мм, при
измерительном усилии в пределах
0,15—0,30 кгс.
Сжимающие пласлометры
отличаются простотой
конструкции, сравнительной
компактностью, удобством термо-
статирования, несложностью
наладки, проверки и
калибровки и возможностью испытания
небольших количеств
материала.
Особенно просто
осуществляется испытание в режиме А.
Здесь не требуется проведения
предварительных испытаний по
подбору нагрузки,
обеспечивающей заданную степень
деформации (если сжатие
производится под непосредственным
действием калиброванного
груза). Поэтому пластометры,
работающие в режиме А,
получили наибольшее
распространение. К ним относится
Рис. 8. Сжимающий пластометр типа
Вильямса:
/—микрометр; 2—кронштейн; 3—шток;
4—планка; 5—серьги; 6—груз; 7—колонки;
8, /2—плиты; 9, 14—рычажки; 10—ручка;
//—выступ; 13—площадка; 15— термометр.
пластометр Вильямса23 и его
многочисленные
разновидности15. 21. 2*. 25, 36-38 Одна из мо_
дификаций этого пластометр а,
стандартизованная в СССР25, представлена на рис. 8.
На плите 12 укреплены две колонки 7, соединенные
планкой 4. Плита 8 вместе с грузом 6 и штоком 3 весит 5 кгс и
может подниматься с помощью рычажков и серег 5, шарнирно
связанных со штоком. При этом колонки 7 служат
направляющими. Ртутный шарик термометра 15 находится в отверстии
груза 6 и плиты 5 на глубине 8—10 мм.
Испытания на пластометре производятся при 70 "С.
Образец устанавливается между плитами 12 и 5 на пло-
шадке 13, прикрепленной к плите 12 через рычажок 9 и пово-
48 Гл. 1. Испытания каучуков и резиновых смесей
рачиваемой за его конец. Правильное положение площадки 13
в центре плиты 12 определяется по упору выступа 11 в плиту.
Образец деформируется и высота его под грузом измеряется
микрометром /, установленным на кронштейне 2.
Образцы прогреваются 3 мин в термостате прибора после замера их
начальной высоты Но. Высота Нх определяется по истечении 3 мин от начала
действия груза на образец. Освобожденные после трехминутного сжатия
образцы восстанавливаются 3 мин или в соответствии с временем, установленным
стандартом на испытуемый материал, прикомиатной температуре, после чего
микрометром замеряют их высоту Нг.
Неправомерность сопоставления эластического
восстановления смесей, доведенных до разной степени деформации,
очевидна. Поэтому при испытании на пластометре Вильямса для
определения (#2—#і) в последнее время предложено24
ограничивать сжатие, опуская верхнюю сжимающую плиту до упора
в стопор, находящийся на расстоянии 5 мм (Ні) от нижней
плиты. По истечении 30 сек сжатия и после отдыха 5 мин при
температуре испытания определяется высота восстановленного
образца Hz- •
При испытании на пластометре типа Вильямса сжимающие
плиты имеют площадь значительно больше площади торцов
образца.
Неоднородность деформации, неодинаковая степень сжатия
различных материалов под действием одного и того же груза,
изменение среднего давления на смесь во время испытания
существенно снижают ценность этого простого испытания, делая
показатели его неопределенными и трудно поддающимися
строгому расчету.
Помимо пластометра Вильямса и его модификаций, в
режиме А работают пластометры фирмы «Скотт»39, Ушервуда28, Хау-
винка26 (бывшая фирма «Шоппер»), Линдгорста34,
разновидности пластометра Гекстра40, консистометр Гепплера16,
универсальный пластометр Лефкадитиса15. Последний, кроме
устройства типа пенетрометра, имеет устройства типа пластометра
Вильямса. типа пластометра Ван-Россема36'37, типа
пластометра фирмы «Гудрич»27.
В отличие от пластометра Вильямса пластометр фирмы
«Гудрич», изображенный на рис. 9, получил широкое
распространение для определения подвулканизации резиновых смесей
(см. раздел 4 главы I), поскольку конструкция прибора
позволяет производить одновременно прогрев большого количества
образцов и их испытание.
Образцы высотой 11,3 мм и диаметром 11,3 мм (площадью
1 см2) сжимаются между площадками 8 и 9 (диаметр площадки
равен диаметру образца). Сжатие осуществляется при освобож-
3. Методы оценки пласто-эластических свойств
49
дении груза 2 @,9072 кгс) с помощью рычага 4, удерживаемого
собачкой 3. Величина сжатия измеряется индикатором 1,
связанным с верхней площадкой 8.
Сжимающие площадки с образцом заключены в термостат 5,
обогреваемый термоэлементами 6 и 10. В термостате на
площадке // одновременно может прогреваться большое количе-
Рис. 9. Пластометр фирмы «Гудрич»:
/—индикатор; 2—груз; 3—собачка; 4—рычаг;
5—термостат; 6, 10—термоэлементы;
7—дверца; 8. 9, 11—площадки; 12—термометр.
ство образцов. Образцы загружаются через дверцу 7.
Заданная температура (в пределах до ПО °С) регулируется
терморегулятором и контролируется термометром 12.
Для испытания в режиме Б применяется дефометр291'42,
получивший свое название от слова «деформация».
Оригинальная его конструкция разработана в Германии. На рис. 10
изображена большая модель прибора.
Перед испытанием образцы прогреваются 20 мин при
температуре 80 °С в термостате 8. Затем они подаются в
испытательную камеру 13 при помощи транспортерной ленты с
маховичком 9.
4-2406
50
Гл. I. Испытания каучуков и резиновых смесей
В камере имеется смотровое окно 12 и рабочее окно 10 с
клапаном, который открывается для установки или снятия
образца при нажатии на ножную педаль 21 и закрывается
пружиной 18.
Рис. 10. Дефометр (завод «Металлист»):
/—большой рычаг; 2—малый рычаг; 3, 17—противовесы; 4—винт; 5—микрометр;
б—арретир малого рычага (рукоятка); 7—сигнальное устройство; 8—термостат;
9—маховичок транспортерной ленты; 10—рабочее окио; 11—термометры;
12—смотровое окно; 13—камера; 14—циливдр; 15—головка стержня: 16—арретир большого
рычага (рукоятка); 18—пружина; 19, 20—реостаты для регулировки температуры;
9/ unvru^a ттоттятті^
21—ножная педаль.
Верхняя сжимающая площадка укреплена на тонком
стержне, свободно двигающемся в цилиндре 14. На головку 15 стерж
ня опирается центр малого рычага 2. Рычаг арретируется
поворотом імалой рукоятки 6. Центр большого рычага / опирается на
приливы полого цилиндра 14; последний под действием рычага
может опускаться и оказывать давление на верхнюю
кварцевую площадку. Большой рычаг арретирован рукояткой 16.
3. Методы оценки пласто-эластических свойств 51
Испытание образцов заключается в подборе нагрузки,
которая производит сжатие образца диаметром 10 мм за 30 сек
от высоты 10 мм до высоты 4 мм. Подбор нагрузки
осуществляется на двух образцах; три образца сжимаются под
подобранной нагрузкой. Если высота образцов за 30 сек достигает
4 ±0,1 мм, эта нагрузка является искомой «жесткостью»
образца42.
Для большой точности и удобства испытание
автоматизировано. Сигнальное устройства 7 (электрочасы и звуковое реле,
подающее сигналы каждые 30 сек) соединено с рукояткой 16 и
начинает действовать, когда освобождается арретир и
опускается большой рычаг.
Высота образца измеряется микрометром 5 с ценой деления
0,1 мм, устанавливаемым на нуле винтом 4 или рукояткой.
После сжатия рычаги арретируются и образец восстанавли:
вается 30 сек под измерительным давлением микрометра при
температуре испытания. Эластическое восстановление
определяется разностью высот после восстановления (Я2) и при
сжатии (Яі); оно равно Н2—Н\.
На описанном приборе не обеспечена постоянная скорость сжатия. Кроме
того, осложняет испытание необходимость подбора сжимающей нагрузки.
На одном из первых вариантов модифицированного прибора21 образец
подвергается сжатию в течение 30 сек при равномерной скорости движения верхней
площадки @,2 мм/сек). К нижней площадке присоединен мембранный
динамометр, измеряющий возникающее давление по подъему ртутного столба в
капилляре. Эластическое восстановление после разгрузки образца измеряется
непосредственно на приборе по подъему верхней площадки.
В большинстве наиболее распространенных сжимающих
пластометров испытания производятся при малых скоростях
деформации. Последние выбираются с целью удобства и
большей точности произведения замеров. Скорости деформации
могут быть существенно повышены (это важно для лучшего
соответствия условий испытания работе технологического
оборудования), если автоматически регистрировать измеряемые
величины.
Наиболее совершенным вариантом испытания является
сжатие между площадками, имеющими размеры торцов образца,
в режиме Б с высокими постоянными скоростями деформации,
автоматическая запись возникающих при этом напряжений, а
также возможность замера эластического восстановления и
релаксации напряжения.
Принципиальная схема подобного прибора изображена на
рис. 11.
Механический привод 1 от мотора 3 с редуктором 2 обеспечивает
равномерное сжатие, а также восстановление образца 8. Вращение барабана самописца
52
Гл. t. Испытания каучуков и резиновых смесей
синхронизировано со скоростью движения нижней сжимающей площадки 9.
Верхняя площадка 7, связанная с упругим кольцевым динамометром 6,
практически неподвижна. Сила сжатия в образце измеряется деформацией динамо-,
метра и соответствующим смещением пера 5 самописца. Прибор термостати-
рован.
Примером прибора, удовлетворяющего рассмотренным выше
требованиям, является также пластометр Вебера32.
В отличие от дефометра на нем можно: 1) осуществлять
более высокие (на два порядка) и постоянные скорости
деформации (обычно 10 мм/сек сжатия
по высоте образца); 2)
регистрировать нагрузку с помощью
электронного силоизмерителя; 3)
определять релаксацию напряжения.
Однако спектр времен
релаксации, охватываемый при больших
скоростях деформации и
кратковременном воздействии, довольно
узок, а суммарная деформация,
осуществляемая на приборе,
далека от тех, которые имеют
место на технологическом
оборудовании.
Сжимающим пластометрам,
даже самым
усовершенствованным, присущи следующие
принципиальные недостатки:
1) неоднородность
напряженного состояния, приводящая к
зависимости показателей от
формы и размеров образца, что
мешает применению сжимающих
пластометров для физических
испытаний;
2) малость величины деформации и невозможность
осуществления стационарного режима при больших скоростях
деформации;
3) необходимость тщательной заготовки образцов, для
которой требуется проведение специальных операций
(вальцевания, прессования, вырезки). Несмотря на все предосторожности,
во время прогрева образцов их форма и размеры могут
измениться, что вносит неопределенность в получаемые результаты
и затрудняет использование сжимающих пластометров для
экспресс-контроля.
Рис. 11. Принципиальная схема
усовершенствованного
сжимающего пластометра:
/—привод; 2—редуктор; 3—мотор;
4—барабан; 5—перо; 6—динамометр; 7,
9—площадки; 8—образец.
3. Методы оценки пласто-эластических свойств 53
Ввиду условности показателей испытания область
применения сжимающих пластометров, по-видимому, не выйдет за
рамки производственного контроля, а при условии
существенного повышения скоростей режим деформации Б, возможно,
подойдет для проведения сравнительных испытаний.
Выдавливающие пластометры
Выдавливание каучуков и резиновых смесей через
калиброванные отверстия или фильеры может быть осуществлено в двух
режимах:
режим I — задано давление441;
режим II — задана скорость выдавливания12'52.
В режиме I показателем испытания служит скорость
выдавливания. Обычно находится время / истечения заданного
объема V образца испытуемого материала, либо объем V образца,
выдавленного за определенное время t. Скорость зависит от
применяемого давления.
В режиме II показателем является давление,
обеспечивающее заданную скорость истечения (например, выдавливание
определенного объема V за заданное время /).
К наиболее существенным недостаткам выдавливающих
пластометров следует отнести наличие входного сопротивления и
проскальзывания материала («пристенный эффект»). Последнее
зависит от величины трения и поверхности соприкосновения
между испытуемым материалом и стенками капилляра.
Вследствие неоднородности получаемой при этом деформации и
практической трудности ее учета усложняется правильный расчет
вязкости.
Таким образом, выдавливающие пластометры мало
пригодны для проведения физических испытаний.
Пристенное скольжение может быть значительно уменьшено применением
негладких капилляров (с насечками—рифами, либо в виде отдельных
насадок60), наложением гидростатического давления у выхода из капилляра и т. п.
Подобные мероприятия сопряжены, однако, с повышенной трудностью очистки
капилляров от материала после испытания, с конструктивной сложностью
прибора, а также с существенной неточностью измерений.
Пристенное скольжение может быть учтено при изучении влияния
диаметра капилляра. При этом оно зависит от размеров капилляра н свойств
материала его стенок. Входное сопротивление учитывается путем применения
капилляров различной длины (вычислением разности давлений, отнесенной
к разности длин капилляров, при одинаковых скоростях выдавливания и
диаметрах капилляров). Для этого капилляры должны быть достаточно длинными,
чтобы в них имелся участок стационарного течения.
В длинных капиллярах влияние входного сопротивления меньше. Тем
не менее их мало применяют из-за сложности очистки.
На рис. 12 представлена схема пластометра Короля50. Внутри полого
цилиндра 3, закрываемого гайкой 5, под нагрузкой перемещается плунжер 4,
54
Гл. 1. Испытания каучуков и резиновых смесей
прессующий и выдавливающий испытуемый материал. В нижней части
цилиндра укреплеиа втулка б с коиусиой выточкой 2. Тонкие конусообразные диски 1
обращены вершинами к плунжеру 4. Они представляют собой иасадки,
образующие в комплекте капиллярное отверстие для выхода выдавливаемого
материала. Концевые полости 7, образующиеся между дисками, служат своего
рода рифами, исключающими проскальзывание материала вдоль стеиок
капилляра.
При испытании на выдавливающих пластометрах может
быть измерено также эластическое восстановление. Обычно
выдавливаемый материал
выходит из отверстия в
виде шнура, профиль
которого зависит от формы
¦отверстия.
Удобно определять
эластическое
восстановление по длине L
восстановившегося
(«отдохнувшего») шнура. Если
площадь отверстия равна So,
масса шнура Р, плотность
р, тс длина Lo, которую
имел бы выдавленный
материал лри отсутствии
восстановления
(«безусадочная смесь»), равна:
U
Р
Эластическое восста-
нозление в этом случае
выражается формулой:
Рис. 12. Схема пластометра Короля:
1—конусообразные диски; 2—конусная выточка; 3— -^ Lo — L , «« 0/
цилиндр; 4—плунжер; 5—гайка; б—втулка; 7—конце- J ^ — —j • 1 UU /О
вые полости. М>
Можно определять его по изменению площади поперечного
сечения:
Однако определение площади поперечного сечения
«отдохнувшего» шнура 5 затруднительно, поскольку вследствие
неравномерного восстановления поверхность шнура часто оказывается
шероховатой.
3. Методы оценки иласто-эласшческих свойств
55
Описанный способ измерения эластического восстановления
отличается длительностью и малой точностью. Величины YL к
}'s зависят от времени и условий «отдыха».
Выдавливающие пластометры характеризуются сравнительно малой
точностью53. При деформации температура испытуемого материала
повышается за счет внутреннего трения. В камере для прессования материала
температура распределяется неравномерно.
грр— '3
Рис. 13. Выдавливающий пластометр типа Диллона фирмы
«Файерстон»:
/—отверстие; 2—ножевидный край; 5—нижняя полуформа: 4, 11—камера;
5~верхняя полуформа; 5—плунжер; 7—стопор; в, 20—поршни; 9—кольцо;
10, 14—контакты; 12, 13~ванты; 15—теплоизоляция; 16—нагреватели;
17—шкворень; /8—кривошип: 19—цилиндр.
Преимущества выдавливающих пластометров заключаются
в следующем:
1. Применение высоких давлений частично или полностью
исключает необходимость специальной заготовки образцов.
2. Высокке скорости деформации.
3. Частично моделируется технологическое оборудование
(шприцмашины).
4. При соответствующем соотношении размеров камеры и
отверстия время испытания может быть достаточно для
установления стационарного режима.
56 Гл. 1. Испытания каучуков и резиновых смесей
Схема пластометра типа Диллона49 (фирма «Файерстон»J2
изображена на рис. 13.
Испытуемый материал помещается в полости камеры 4,
образуемой полуформами 5 и 3. При закрытии камеры круглый
ножевидный край 2 верхней полуформы 5 входит в паз
@7,62 см), находящийся в нижней полуформе 3 камеры.
В обеих полуформах 5 и 3 размещены электрические
нагреватели 16 и бакелитовая теплоизоляция 15. Выдавливание
материала из камеры через отверстие 7@ 3,18 мм) осуществляется
плунжером 6 @1,88 см), приводимым в движение от поршня 8
воздушного цилиндра @17,8 см). Ход поршня A,88 еж)
ограничен стопором 7 и подгоночным винтом 13.
К началу хода электрический контакт 14 включен, а 10
разомкнут. В начале выдавливания при ходе штока поршня
кольцо 9 включает контакт 10, замыкая цепь индикатора времени.
Стрелка индикатора вращается, показывая время
выдавливания, до тех пор, пока при окончании выдавливания кольцо 9 не
нарушит контакт 14 и тем самым не разомкнет цепь индикатора
(контакты устанавливаются винтами 12 по снятии камеры 11).
Регулировка температуры в полости камеры 4
осуществляется в пределах 1 °С биметаллической спиралью, и температура
измеряется ртутными термометрами, находящимися в
отверстиях камеры вблизи полости.
Нижняя полуформа камеры 3 может перемещаться на
расстояние до 7,6 см под давлением пневматического запорного
механизма, показанного слева. При движении вниз поршня 20
@17,8 см) в воздушном цилиндре 19 кривошип 18
поворачивается вокруг шкворня 17 и через коленно-рычажный механизм
опускает нижнюю полуформу камеры 3. Движение поршня
вверх запирает камеру, прессуя заложенный в нее материал с
силой 50 тс и более.
Описанный пластометр пригоден только для
производственного контроля. При малой длинь отверстия для выдавливания
существенно влияние входного сопротивления. Не исключено
проскальзывание.
Режим испытания нестационарен.
Пластометры Марцетти и Бере44'45, обеспечивающие
меньшие скорости деформации и имеющие менее совершенные
конструкции, оказываются принципиально лучше, поскольку
позволяют достигать стационарности и применять капилляры
различной длины.
В качестве выдавливающих пластометров используются
также лабораторные шприп-машины54.
Испытания на выдавливающих пластометрах не получили
широкого распространения. Ни один метод этой группы не был
3. Методы оценки пласто-эластических свойств 57
стандартизован. Для проведения исследовательских работ
выдавливающие пластометры неудобны из-за трудности
исключения или учета пристенного скольжения, малой вероятности
достижения стационарности*, особенно при высоких скоростях, и
неоднородности деформации. Для применения в
производственном контроле или для оценки технологических свойств
материалов существующие конструкции приборов мало пригодны
вследствие получения невоспроизводимых результатов,
необходимости тщательной очистки камеры и капилляров, сложности и
трудоемкости этой операции, неточности и неудобства
измерения эластического восстановления.
Сдвиговые вискозиметры
До настоящего времени в резиновой промышленности самым
распространенным прибором этого типа является сдвиговый
ротационный дисковый вискозиметр Муни55 и его модифика-
цИИю, 12,56-60 Сдвиговые деформации испытуемого материала,
находящегося в закрытой цилиндрической камере (форме) под
давлением, вызываются вращением помещенного в центре
цилиндрического диска—ротора. Слой материала
непосредственно у поверхности диска, при отсутствии проскальзывания,
вращается с той же скоростью, что и ротор. Прилегающие к
стенкам камеры (статора) слои неподвижны. В промежуточных
слоях происходит движение по направлению вращения ротора
со скоростью, уменьшающейся по мере удаления от поверхности
ротора.
При неньютоновском течении вязкость т| является функцией скорости сдвига
ГЮ
-^- в зазоре 2 толщиной а между ротором / и статором 3 (рис. 14)~и
Rio
скорости сдвига —г в зазоре 4 толщиной Ь между боковыми поверхностями
ротора и статора (г—радиальное расстояние от оси ротора, ы —угловая
скорость, R—радиус ротора). При толщине ротора h общий момент М
сопротивления вращению ротора в испытуемом материале равен:
* По-видимому, реализовать стационарность режима при высоких
скоростях практически нелегко из-за ограниченности объема выдавливаемой
смеси.
58
Гл. I. Испытания каучуков и резиновых смесей
Если пренебречь зависимостью вязкости от скорости сдвига, по моменту
вращения М можно вычислить некоторую эффективную вязкость* і):
Устройство визкозиметра Муни показано на рис. 15.
Ротор / вращается в находящейся под давлением смеси 2
при сомкнутых нижней 3 и
верхней 4 половинах камеры
(полуформах). Давление на
?Мёсь передается от пружин 5
и 6 через плунжерочки 7 и 8.
•Хвост ротора входит во
втулку 9 вертикального вала, на
нижней части которого
имеется червячная шестерня //.
Последняя сцепляется с
червяком 12 на горизонтальном
валу 13, приводимом во
вращение от синхронного мотора
через шестерню 14. Конец вала
упирается в упругую пружи-
Рис. 14. Схема к расчету вязкости
на сдвиговом дисковом
вискозиметре:
/—ротор; 2, 4—зазор с испытуемым
материалом; 3—статор; R—радиус ротора,
h—высота ротора, а и b—верхний и
бокой й
ну 15, закрепленную в зажи-
вой зазоры, r-переменный радиус, ш- мах ]? Q ДРУГИМ КОНЦОМ СВЯ-
угловая скорость вращения ротора. rJ
зана ножка индикаторного
микрометра 21. Усилие,
возникающее между червячной шестерной // и червяком 12 при вращении
ротора в смеси, пропорционально вращающему моменту на
оси ротора, уравновешивающему момент вязкого сопротивления
испытуемого материала. При известных геометрических размерах
камеры и ротора « заданной скорости вращения последнего по
величине осевого усилия, передаваемого на вал 13, можно судить о
вязкости резиновой смеси. Это усилие вызывает продольное
перемещение вала 13 и деформацию пружины 15, которая
измеряется по индикаторному микрометру 21. Пружина подобрана такой
упругости, чтобы момент 84,6±0,2 кгс ¦ см на оси ротора
вызывал ее прогиб на 1 мм, что соответствует 100 делениям
индикаторного микрометра. При стандартных размерах ротора
[диаметр 2/? = 38,1 лш±0,03 мм или 1,5"**, высота /г=б,54±0,03 мм
* Подобная величина при заданных условиях могла получиться, если бы
течение материала было ньютоновским.
** Для смесей с большой вязкостью (для уменьшения вращающего
момента) рекомендован61»б2 малый ротор диаметром 1,2" C0,5±0,03 мм).
Естественно, результаты испытаний на стандартном и малом роторах не
сопоставимы между собой.
3. Методы оценки пласто-эластических свойств
59
@,218")], статора [диаметр {2R + 2b) =50,93±0,03 мм, или 2,0",
высота Bа + /г) = Ю,6±0,03 мм, или 0,418'1 и при скорости
вращения ротора @ = 2 об/мин одно деление индикаторного
микрометра отвечает единице вязкости по Муни (М).
¦го
Рис. 15. Конструкция испытательной части
вискозиметра Муни:
/—ротор; 2—смесь; 3—нижняя полуформа; 4—верхняя
полуформа; 5, 6—пружины; 7, 8—плунжерочки; 9—втулка; 10—хвостовик
(стержень) ротора вертикального вала; 11—червячная шестерня;
12—червяк; 13—горизонтальный червячный вал; 14—приводная
шестерня; /5—упорная пружина; 16—зажимы: 17, 19—плиты с
нагревателями; 18—ножевидный край камеры; 20—шток;
2/—индикаторный микрометр.
В плитах 17 и 19 расположены нагреватели. Испытуемый
материал в виде дисков толщиной, достаточной для заполнения
формы, и диаметром 45—48 мм закладывается в открытую
камеру над и под ротором (диск, закладываемый под ротор, в
центре имеет отверстие для хвоста ротора). Камера
открывается при поднятии верхней плиты 19 с помощью рычажной,
гидравлической или пневматической системы через шток 20 с
серьгой. При закрытии камеры материал прессуется (усилие
прессования при двойной рычажной системе составляет 340 кгс, что
соответствует давлению 20 кгс/см2), излишек материала
вытекает из формы и срезается ножевидным краем 18. Давление при
60 Гл. I. Испытания шучу ков и резиновых смесей
испытании задается от пружин 5 и 6 через плунжерочки 7 и 8 и
составляет от 30 до 60 кгс/см2.
Прогрев и прессование длится 1 мин. Включают мотор и
производят отсчеты показателей индикаторного микрометра 21 во
р-ремени*.
Недостатком оригинальной конструкции вискозиметра Мунн являлось
отсутствие механизма для измерения эластического восстановления. В
модифицированных приборах56 и, в частности, вискозиметрах ВР-1 и ВР-212
конструкции «Резинопроекта» (ВР-212 изготавливается заводом «Металлист»)
эластическое восстановление измеряется по углу обратного поворота ротора
в смеси после ее деформации. Для этого, как схематически показано на рис. 16,
при помощи сцепной муфты 5 верхняя половина вертикального вала ротора 14
отсоединяется от нижней (с приводом). Вследствие эластического восстановления
смеси освобожденный ротор поворачивается в сторону, обратную той, в
которую происходило его принудительное вращение от мотора.
Вращение ротора через систему конических 4 и цилиндрических 12
шестерен передается на ведущую стрелку указателя 13, угловая скорость которой
в 10 раз больше соответствующей скорости ротора. Во время принудительного
вращения ротора от мотора она вращает ведомую стрелку (поводок). При
обратном повороте ведомая стрелка останавливается, а ведующая поворачивается
на удесятеренный угол, и одна десятая разности показаний обеих стрелок при
практической остановке ротора в угловых градусах служит мерой
эластического восстановления Э.
Закрытие и раскрытие формы производятся в вискозиметрах
ВР пневматическим способом. В вискозиметре ВР-2 при
закрытии, прессовании и расцеплении муфты давление в воздушной
линии может задаваться от 3 до 5 ат, что соответствует
давлению на смесь от 65 до 100 кгс/см2. Испытание может
происходить при более низких давлениях, начиная с ~1,5 ат C0 кгс/см2
на смесь).
Вискозиметры ВР позволяют производить испытания при
различных скоростях вращения ротора A, 2 и 4 об/мин) и
температурах от комнатной до 200 °С.
Для уменьшения проскальзывания смеси при сдвиге на
поверхностях статора и ротора наносятся насечки.
На рис. 17 даны два стандартизованных61'63> 64 типа насечек: (а)
квадратные и (б) радиальные. Последние находят более широкое применение,
поскольку, практически исключая проскальзывание обычных смесей, значительно легче
и точнее выполняются и удобнее в работе при очистке формы.
Радиальные канавки имеют v-образную форму и располагаются друг
к другу под углом 20°, расходясь от окружности dx—l мм до окружности d2=
=47 мм. Каждая канавка у вершины имеет угол 90°, ее ширина на
поверхности статора или ротора составляет 1,00+0,25 мм-
* В модифицированных конструкциях прибора Муни применяется
автоматическая зап сь «вязкости по Муни» с помощью электронных приставок.
Принцип действия последних такой же, как у электронных силоизмерителей,
описанных в разделе 3 главы II.
3. Методы оценки пласто-эластияеских свойств
61
Для облегчения очистки формы в случае сильно
прилипающих смесей разрешается смачивать поверхности мыльным
раствором или прокладывать целлофан. Кроме того, в
вискозиметрах ВР внутренние части полуформы сделаны съемными
(вывинчивающиеся). Определение
эластического восстановления
стандартизовано в СССР52.
Скорость сдвига в испытательной
камере дискового вискозиметра
изменяется с расстоянием г от оси вращения. В
краевой области имеет место сложно
напряженное состояние. Пайпер и Скотт10
заменили дисковый ротор двухконус-
По fl?
as, , j>e
По CD
Рис. 16. Принципиальная схема
вискозиметра BP (завод «Металлист»):
1, 3—верхняя и нижняя полукамеры;
2—испытуемый материал; 4—коническая шестерня;
5—муфта сцепления с приводом; 6—
приводная шестерня; 7—червяк; 8—червячный вал;
9—индикаторный микрометр; 10—упругая
консольная пружина; //—червячная шестерня;
12—цилиндрическая шестерня; 13—указатель
угла обратного поворота ротора; 14—ротор
Рис. 17. Размеры и формы насечек
на поверхностях ротора и статора:
а—квадратные насечки; б—радиальные
насечки.
ным и изменили форму камеры так,
что скорость сдвига в первом
приближении стала одинаковой повсюду.
Это условие над и под ротором
выполняется, если отношение /7a=const,
т. е. угол а между поверхностью конуса и статора постоянен (а=7°10',
а—зазор между ротором и статором).
При испытании на сдвиговом вискозиметре типа Муни некоторое влияние
на показатели испытаний в случае применения чистых каучуков может оказать
заготовка образца. Поэтому в стандартах США61 и рекомендациях ИСО63 пред-
Рис. 18. Сдвиговый вискозиметр Канавца:
-» --- —¦ з, 10—нагреватели; 4, 13— подшипники; 5—матрица; 6—червячное колесо;
;; //—трос; 12— вертикальный вал; 14— приводные шкивы; /5—подвиж-
" ¦ •" - 19—барабан самописца; 20—перо.
Рис. 18. Сдвиговый вискозиметр Канавца
/-поршень гидравлического цилиндра; 2-наружный цнлнндр; 3, /О-нагреватели; 4, 13-порв
7 ггки* (внч-тоенннй цилиндр); «-испытуемый материал; S-днск; //-трос; /2-вертикальнь
7"ШТ №„ая^пора /в-маятниковый снлоизмернтель; /7-ручка ^цепной муфты; /«-шкала;
3. Методы оценки пласто-эластических свойств 63
усмотрены специальные способы предварительной обработки смесей и выпуска
цилиндрических заготовок-дисков, которые изменяются в зависимости от типа
испытуемого каучука. Так, при изготовлении образцов из натурального
каучука 250 г последнего 6 раз пропускают иа вальцах с валками диаметром 15 см,
длиной 27 см, при скорости вращения 19 и 24 об/мин, температуре 70+3 °С
и зазоре 2,5 мм. После каждого пропуска вытянутый лист материала свертывают,
затем оставляют на отдых (не менее 30 мин). Вырубку дисков и испытание
производят через 2—4 ч. Бутадиен-стирольный, бутадиен-акрилонитрильный
каучуки и неопрен пропускают на вальцах 10 раз при температуре 44—55 °С
и зазоре 1,4+0,13 мм. Вплоть до последнего пропуска листы материала
складывают пополам. Бутилкаучук, как и наполненные смеси или регенераты, не
требует специальной подготовки.
Чтобы полностью исключить необходимость заготовки
образцов, целесообразно применять испытательные формы
плунжерного типа с высоким давлением прессования. Примером
подобного рода сдвигового вискозиметра является прибор К»анавца,
распространенный в отечественной промышленности пластмасс
(рис. 18)«5'66.
Испытательная форма (прессформа) представляет собой два
коаксильных цилиндра, пространство между которыми
заполняется под давлением испытуемым материалом 8. Наружный
цилиндр 2 вставляется в матрицу 5, установленную на двух
подшипниках 4, и сцепляется с матрицей посредством пазов и
выступов. Матрица приводится во вращение от мотора через
редуктор. Внутренний цилиндр представляет собой штырь,
который подобным же образом сцепляется с верхней частью
вертикального вала 12.
На оси штыря находится диск 9, который посредством
рычага или троса 11 связан с маятниковым силоизмери-
телем 16.
Вискозиметр имеет три типа прессформ — А, Б и В. На
рис. 18 изображена прессформа типа Б, в которой образец
оформляется литьем под давлением, на рис. 19 — типа А, где
применяется компрессионное формование.
Прессование материала, а также подъем прессформы
производится с помощью поршня гидравлического цилиндра 1
(рис. 18) либо от гидравлической сети, от малолитражного
индивидуального гидравлического насоса на 70 ат. Сила
прессования доходит до 2 тс, что дает давление ~ 250 кгс/см2 в
прессуемом материале.
Момент вязкого сопротивления сдвигу измеряется
маятниковым силоизмерителем. Угол подъема маятника с грузом
фиксируется по шкале IS посредством цилиндрических передач на
оси маятника и стрелки указателя. Записывающее
приспособление состоит из вращающегося барабана 19 с миллиметровой
бумагой, поворот которого пропорционален времени испытания,
64
Гл. 1. Испытания каучуков и резиновых смесей
и пера 20, передвигаемого пропорционально углу подъема
маятника. Нагреватели 3 и 10 находятся в матрице 5 и в диске 9
под штырем. Питание нагревателей регулируется с помощью
автотрансформаторов. Температура контролируется двумя
термопарами (хромель — копель).
В вискозиметре Канавца прессформы могут выниматься из
матрицы при помощи зацеплений на штоке поршня воздушнога
цилиндра (в те же зацепления при
прессовании испытуемого материала входят
плунжеры прессформ). Прессформы
разъемные и после выемки могут
очищаться от испытанного материала.
Тарировка сдвиговых пластометров
производится при помощи грузовых рычагов, осью
вращения которых служат специальные
роторы или штыри.
Рис. 19.
Испытательная
форма типа А для
пластометра
Канавца;
/—штырь;
2—внешний цилиндр; 3—
поршень.
Рис. 20. Схема тарировки
вискозиметра Муни:
/—нижняя полуформа; 2—отверстие є
нижней полуформе; 3—стержень
(хвостовик) ротора; 4, 7—блоки; 5—тросы;
5—тарировочный ротор; Р\ и
Ра—грузы; R—радиус ротора.
Последние помещаются на место ротора в вискозиметре типа Муни или на
место штыря в вискозиметре Канавца. При подвешивании определенного
груза Р на конец рычага (расстояние / от оси вращения) возникает момент
вращении Р1, передаваемый, как и момент вязкого сопротивления во время
испытания, на индикатор прибора.
Схема подобной тарировки показана на рис. 20.
Тарировочный ротор 6 вставляется на место обычного ротора,
применяемого для испытания. Оба ротора должны иметь строго одинаковые стержни 3
и посадку в отверстии 2 нижней полуформы / испытательной камеры.
На тарировочный ротор намотаны тросы 5, к которым через блоки 4 и 7
подвешиваются тарировочные грузы Рг и Рг (обычно РХ=Р^) так, чтобы
создать момент вращения в одном направлении. Камера нагревается до
температуры испытания, ротор приводится иа короткий промежуток времени во
вращение; при вращении ротора тросы сматываются с его периферии; вращающий
момент при этом равен Я(Р1+Рг). Стандартизована тарировка вискозиметра
типа Муни при вращении тарировочного ротора от привода прибора для
уменьшения влияния трения в движущихся частях прибора.
3. Методы оценки пласто-эластических свойств 65
Как следует из описания, сдвиговые вискозиметры, по
сравнению с другими группами пластометров, являются самыми
совершенными и наиболее перспективными приборами.
Они дают возможность проведения испытания при
различных, в том числе высоких скоростях в нестационарном и
стационарном режиме заданной скорости деформации, необходимом
для правильной оценки как физических, так и технологических
свойств материала. В них возможно осуществление
однородного сдвига при практическом отсутствии проскальзывания
материала. Они обеспечивают возможность измерений в широких
пределах температур и давлений. Они позволяют частично или
полностью исключить специальную заготовку образцов
благодаря применению высокого давления прессования, а также
(при строго установленных размерах и температуре закрытой
испытательной камеры) их предварительный прогрев.
Последний применяется только при изучении температурной
зависимости вязкости или при разделении влияния повышения
температуры и разрушения структуры материала из-за его
деформации. Оба явления имеют следствием снижение вязкости в
начале испытания. Испытание на сдвиговых вискозиметрах
характеризуется быстротой и удобством проведения замеров,
относительно большей точностью. Легко осуществить автоматическую
запись замеров. Некоторые из вискозиметров (Канавца,
ПавловаN5'67 позволяют также снимать релаксацию напряжения (в
режиме заданной деформации, обычно следующем за режимом
заданной скорости).
Эластическое восстановление измеряется по углу обратного
поворота ротора (после снятия вращающего момента).
Благодаря применению закрытой испытательной камеры
создаются одинаковые условия для деформации и
восстановления образца. В связи с этим же обеспечивается постоянство
условий испытания, причем неоднородную деформацию
подобного типа легче рассчитать, чем неоднородное сжатие.
Наконец, при желании, получаемые на приборе показатели
могут быть непосредственно использованы без проведения
дополнительных расчетов. Чувствительность метода может быть
всегда повышена путем подбора соответствующих размеров
испытательной формы и изменения цены деления шкалы
индикатора в зависимости от вязкости испытуемого материала.
Известные сдвиговые вискозиметры работают либо в
режиме заданного момента вращения682, либо їв режиме заданной
скорости сдвига* 55> 65> 73-7'5.
* Если задается момент вращения, то измеряется скорость сдвига и
наоборот.
5—2406
66 Гл. 1. Испытания каучуков и резиновых смесей
К сдвиговым вискозиметрам условно могут быть отнесены
приборы типа пластографа Брабендера75'76, в миниатюре
воспроизводящие подобие смесительного оборудования и
измеряющие потребление мощности в процессе перемешивания
смеси.
Модифицированный пластограф состоит из обогреваемой
смесительной камеры, в которой в разные стороны
вращаются два ротора со скоростями, отличающимися в 1,5 раза.
Измерение потребляемой мощности и регистрация ее во времени
производится по схеме мотор—весы.
Сдвиговые вискозиметры, особенно те из них, которые
отвечают всем необходимым требованиям, конструктивно сложны и
требуют тщательной наладки.
Для обеспечения однородности сдвига в основном
применяются бицилиндрические вискозиметры с малыми зазорами
между наружным и внутренним цилиндрами и большой длиной
цилиндрической части (чтобы можно было пренебречь
неоднородной деформацией на краях — «краевыми эффектами»).
В настоящее время создать надежную конструкцию
прибора, обеспечивающего однородную деформацию, рассчитанного
для проведения массовых испытаний и достаточно
производительного и удобного в работе, пока еще не удалось. Поэтому
для испытаний широко используются дисковые вискозиметры
типа Муни, дающие неоднородный сдвиг.
Из всего изложенного материала ясно, что соотношения
между показателями испытания, получаемыми на различных
пластометрах12'21'53'77~79, не могут быть постоянными
вследствие неодинаковой величины и характера деформации,
различной степени ее неоднородности и приближенности применяемых
расчетов.
Качественнное согласие наблюдается между «мягкостью4--
Н\*г определенной на сжимающем пластометре в режиме
заданной нагрузки, «жесткостью» Ж** в режиме заданной
деформации, временем истечения t на выдавливающем
пластометре—в режиме заданного давления, давлением р — в режиме
заданной скорости выдавливания и вязкостью М (или
вращающим моментом) на сдвиговом пластометре в режиме заданной
скорости сдвига12.
В некоторой ограниченной области значений можно выделить ту или
иную количественную их зависимость. Так, например, согласно данным
* По ASTM D926—56 «мягкостью» называется пысота Ні (в мм) сжатого
образца.
** По DIN 53514 жесткость называется «дефо-твердостью».
3. Методы оценки пласто-эластических свойств 67
Вильямса80, для смесей на основе натурального каучука с различными
наполнителями:
Я, =0,154 Ж+ 219,
где Н] выражено в мм • 100; Ж—в гс (жесткость);
М = 0,045Ж + 25,3,
где М — вязкость по Муни.
Погрешности величин Н\ и М, вычисленных из этих уравнений по
данным жесткости, составляют соответственно ±0,84 и ±11 в пределах
значений Ж от 300 до 3000 гс. Применимость этих и подобных им эмпирических
переводных уравнений80 весьма ограничена. Они действительны не только в
очень узком интервале скоростей и температур, но и для небольшого круга
однотипных материалов. При замене каучука или рецептуры смеси численные
значения коэффициентов меняются21.77. Количествнион зависимости между
показателями эластического восстановления различных приборов вообще
установить не удалось.
При сравнении коэффициентов вариации, получаемых при
испытании одной и той же серии материалов на пластометре
Вильямса, дефометре и вискозиметре Муни, были получены80
соответственно значения 0,034; 0,014 и 0,009. Малый
коэффициент вариации свидетельствует о наибольшей точности
вискозиметра Муни.
Как легко видеть из анализа простейших моделей3'81'82,
применяемых для описания механических свойств, соотношение
пластической (необратимой) и эластической (обратимой)
долей деформации прежде всего зависит от режима нагружения.
В заданном режиме оно определяется температурой, скоростью
деформации, временем действия и величиной нагрузки. Кроме
того, в различных условиях нагружения по-разному протекают
механо-химические процессы13. Эмпирические законы
деформации оказываются справедливыми в весьма узком интервале
скоростей деформации11, поэтому при лабораторной оценке
технологических свойств необходим12' 83~87 выбор условий
испытания, наиболее полно соответствующих работе
технологического оборудования
При сопоставлении данных по пласто-эластическим
свойствам, определенным на различных пластометрах, с
показателями технологических свойств, найденными непосредственно на
оборудовании, для сажевых резиновых смесей было
установлено12' 85 согласование:
1) усадки после пропуска через каландр или шприц-машину
и эластического восстановления на сдвиговых и выдавливающих
пластометрах, работающих в режиме заданной скорости
деформации; для сжимающих пластометров такого согласования
лабораторных показателей и показателей технологических свойств
не наблюдается;
68 Гл. 1. Испытания каучуков и резиновых: смесей
2) мощности, потребляемой при обработке на оборудовании,
и вязкости по Муни М (вращающего момента);
3) коэффициента С*, характеризующего шероховатость
поверхности обработанного материала, перепада** вязкости /
(относительного изменения вязкости за время испытания) и
эластического восстановления, Э, определенных на
модифицированном сдвиговом вискозиметре ВР:
_/_ _ А_ _В_
С ~~ 1 + Э
где А и В — постоянные.
Для других приборов не найдено какого-либо согласования.
Таким образом, сдвиговые пластометры дают возможность,
на основании получаемых на них показателей, наиболее полно
и правильно судить о технологических свойствах испытанных
резиновых смесей.
4. МЕТОДЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ВУЛКАНИЗУЕМОСТИ РЕЗИНОВЫХ
СМЕСЕЙ
Определение способности резиновых смесей
к преждевременной вулканизации
В условиях работы технологического оборудования у
каждой резиновой смеси существует предельное («безопасное»)
время, по истечении которого она теряет способность к
дальнейшей обработке. Это нежелательное явление связано с
медленной вулканизацией, называемой иногда преждевременной.
Иначе оно называется подвулканизацией, подгоранием («скорчин-
гом»).
Механические методы определения подвулканизации
основаны на измерении какого-либо механического свойства в
зависимости от времени и температуры прогрева. Период резкого
* Коэффициент С—отношение объема материала, рассчитанного на
основании измерений максимальных размеров шероховатого материала (т. е.
длины, диаметра или сторон поперечного сечения, измеренных по касанию с
выступами, образуемыми шероховатой поверхностью) к истинному объему.
При гладких поверхностях С=1, при шероховатых С>1.
** Перепад вязкости
Af.-Afa
где Мх—максимальный отсчет вязкости по Муни в начале испытания;
УИг—вязкость по Муни на третьей минуте испытания; перед испытанием
материал прогревают (в течение 10 мин) до достижения заданной
температуры испытания.
4. Me годы определения вулканизуемости резиновых смесей 69
изменения характеризует начавшуюся подвулканизацию.
Наибольшее распространение получили методы определения
пластичности на пластометрах Вильямса, Гудрича и других ежи
мающих пластометрах после различных сроков прогрева88.
По ГОСТ 423—53", прогрев заготовок смеси в виде шайб диаметром
50±1 мм и высотой 20±0,5 мм производится в кипящей воде в
специальной форме закрытого типа. Можно также использовать для прогрева другую
иысококипящую жидкость или производить прогрев межу плитами вулка
пизационного пресса.
На выдавливающих пластометрах можно определять
подвулканизацию по изменению скорости выдавливания (в
режиме I) или давления (в режиме II) со временем прогрева.
При использовании сжимающих пластометров для
получения какой-либо одной точки на кривой пластичность — время
прогрева все испытание, начиная с прогрева специальной
заготовки и кончая собственно измерением деформации образца,
повторяется каждый раз заново, на новом образце.
Что касается выдавливающих пластометров, то
рекомендуется применение только таких конструкций, которые
обеспечивают испытание в стационарных условиях, достаточно
длительное для обнаружения подвулканизации по изменению
объема смеси, выдавливаемой за единицу времени.
Наиболее простым, быстрым, точным и экономным методом
определения способности резиновых смесей к преждевременной
вулканизации является испытание на сдвиговом вискозиметре.
Подобное испытание на сдвиговом дисковом вискозиметре Мунн
стандартизовано в ряде стран62'90-91 и рекомендовано
Международной организацией по стандартизации92. Поскольку приборы
допускают неограниченную деформацию, можно непрерывно на
одном образце сколько угодно длительно снимать показания,
пропорциональные его вязкости.
Характер получаемых при этом кривых изображен на рис. 21.
Из-за прогрева образца и вследствие тиксотропии в начале
испытания вязкость смеси по Муни (момент сопротивления
сдвигу) падает. При температурах ниже применяемых для
вулканизации со временем устанавливается некоторое стационарное
значение вязкости по Муни, соответствующее заданной
температуре и скорости испытания (кривая Iа). При 100°С,
например, вулканизация редко начинается раньше, чем через час.
Поэтому участок стационарного значения вязкости отчетливо
виден.
По ASTM D1077—55Т, рекомендованы температуры
испытания 125 и 150°С. При этих температурах вулканизация может
начаться ранее достижения температуры равновесия, а
влияние прогрева и деформации, снижающее вязкость, наклады-
70
Гл. I. Испытания каучуков и резиновых смесей
вается на действие вулканизации, приводящее к повышению
вязкости (кривая 2а).
В этом случае92 рекомендуется определять начало
вулканизации по времени (Т5) достижения вязкости, превышающей
минимальную на 5 единиц по Муни.
Рис. 21. Зависимость момента
сопротивления сдвигу от времени испытания:
Iа, 2а—на вискозиметре типа Муни; / , 2 —на
вискозиметре Каиавца; 1 , 1 —при температурах
ниже, чем температуры, применяемые для вулканизации;
2а, 2 —при температурах, близких к температурам
вулканизации; 2 —более высокие скорости
деформации, чем для іб; Мш„ —минимальное значение вяз-
мин.
кости по Муин; Г5—время начала вулканизации (под-
вулканизации) при М = Ммии +\М, где ДМ = 5
единиц вязкости по Муни; Г35—время, при котором
М = Л*мин + 35 единиц вязкости по Муии; Гск —
время, при котором М ¦= 2ММИИ
Скорость вулканизации характеризуется наклоном правой восходящей
ветви кривой93.
По рекомендации ИСО92, такой характеристикой является время Т№, при
котором вязкость смеси по Муии, вследствие вулканизации, достигает
значения, превышающего минимальное Ммии. на 35 единиц.
Такой способ выбора характеристики скорости вулканизации
неравноценен для смесей с различной вязкостью Ммин. Увеличение Ммии. на 35 единиц
при малых значениях Л1МИИ соответствует более глубокой степени подвулкаии-
зации, чем при больших значениях Ммии-. Поэтому более правомерно
пользоваться временем, за которое величина вязкости Л1МИН- возрастает вдвое62.
Показатели вулканизации зависят от условий и способа
прогрева, поэтому различные методы испытания не дают
одинаковых характеристик не только количественных, но и
качественных.
4. Методы определения вулканизуемости резиновых смесей 71
Естественно, что для получения правильной характеристики
условия прогрева на приборах должны по возможности
соответствовать таковым при технологической обработке.
Было показано84, что важными факторами для
предварительного прогрева при лабораторных испытаниях являются:
1) наличие деформации, ее величина и скорость, 2)
температура и режим ее поддержания во времени, 3) среда, в которой
происходит прогрев, 4) размеры прогреваемой заготовки
смеси. Самым удовлетворительным из существующих методов
определения способности к преждевременной вулканизации, с
точки зрения соответствия результатам, полученным
непосредственно на оборудовании, оказалось испытание на сдвиговом
вискозиметре типа Муни.
С этой же целью может быть использован вискозиметр Ка-
навца, дающий близкие результаты65. Здесь скорости
деформации меньше, поэтому, хотя прогрев быстрее, выход на
стационарный режим характеризуется более медленным начальным
подъемом момента сопротивления сдвигу (см. рис. 21, кривая
1б) (на вискозиметре типа Муни начальный подъем
практически происходит мгновенно, за несколько секунд).
Замедление подъема этого показателя на пластометре Ка-
навца, а также нередкое отсутствие последующего его
падения вследствие прогрева смеси и тиксотропных явлений
частично связано с нежестким силоизмерителем (угол поворота штыря
по отношению к углу подъема уравновешивающего маятника
составляет заметную часть). Вулканизуемость (начало
вулканизации и ее скорость) определяют по подъему кривой после
стационарного участка, как на вискозиметре Канавца, и на
вискозиметре типа Муни.
Повышение скоростей деформации ускоряет выход на
стационарный участок, а повышение температур ускоряет начало
вулканизации (кривая 26)',
Определение оптимума вулканизации
Непрерывные измерения амплитудного значения нагрузки
сдвига при многократной деформации, осуществляемой с
заданной амплитудой сдвигового перемещения, производятся в
зависимости от времени нагревания образцов из резиновых смесей
на так называемых вулкаметрах94. На кюрометрах95 задается
сдвиговая нагрузка и измеряется амплитуда сдвигового
перемещения.
В отличие от сдвиговых пластометров, вулкаметры
позволяют, однако, измерить не только начало вулканизации и ее
скорость, но и время достижения оптимума вулканизации (см.
раздел 1 главы I .
72
Гл. 1. Испытания каучуков и резиновых смесей
І
«I
1
На рис. 22 показана полная кривая «кинетики
вулканизации»: участок времен t0—U соответствует прогреву сырой
смеси и связанному с ним падению вязкости, участок t\—h
отвечает индукционному периоду (по
нему может быть
характеризована вязкость сырой смеси), на
участке h—h происходит
вулканизация, в момент h достигается
оптимум; последующее
незначительное изменение амплитуды
сдвиговой нагрузки связано с
перевулканизацией.
На рис. 23 показана схема
кюрометра Шаубери95,
сконструированного в Англии95. В
настоящее время известен ряд
вариантов этого прибора97. От
эксцентрикового механизма /
синусоидальное смещение передается на
блоки 2, скрепленные двумя
парами внешних пружин 3 и вызывающие многократный сдвиг
в резиновых образцах 9 посредством связанных с блоками двух
пружин 5 и горизонтальной лопасти 6. Резиновые образцы раз-
Время
Рис. 22. «Кинетика
вулканизации» иа вулкаметре:
to—начало испытания; to—1\—период
прогрева; h—tz—индукционный период;
Н—Н— вулканизация.
15
л
г;
т
\\
-
-г
—з ^V
. ^
JO 9 8
Рис. 23. Схема кюрометра Шаубери:
І—эксцентрик; 2—блоки; 3, 5—пружины; 4, 11—рычажная
ассамблея; 6—лопасть; 7, в—пластины; 9—образцы;
10—теплоизоляция; 12—отбивающее устройство; ІЗ—барабан; 14— перо;
15—диаграмма.
мещаются по обе стороны лопасти между обогреваемыми
жидкостью от ультратермостата верхней 7 и нижней 8
пластинами, имеющими тепловую изоляцию 10.
4. Методы определения вулканизувмэсти резиновых смесей
73
По мере вулканизации образцов динамический модуль их
повышается и уменьшается смещение лопасти 6 и пружин 5.
Это смещение, увеличенное по масштабу с помощью рычажной
ассамблеи 4 и 11, записывается на диаграмме 15 вращающегося
барабана 13. Специальное устройство 12 на конце рычага //
опускает перо 14 для отметки при двух крайних его
смещениях за каждый цикл.
Рис. 24. Схема вулкаметра НИИР:
/—привод: 2—внешний (обогреваемый) зажим;
3—образцы; 4—внутренний (обогреваемый) зажнм; 5—упругая
пружина; 6—усилитель; 7—реверсивный двигатель;
в—каретка; 5—перо; 10— барабан; //—мотор.
В НИИР создан98 вулкаметр ПКВ, отличающийся силоиз-
мерительным устройством и способом закрепления образцов.
В качестве силоизмерителя применяется жидкостной
динамометр, подобный описанному в главе VIII (рис. 257).
Способ крепления образцов таков, что позволяет изменять
расстояние между площадками, испытывая образцы
различной толщины от 1 до 10 мм.
Модернизированный вариант прибора НИИР схематически
показан на рис. 24".
Внешний зажим 2 получает возвратно-поступательное
движение от привода 1, вызывая сдвиг с амплитудой 0,2 мм и
частотой 1 цикл в минуту в образцах 3. Образцы имеют
примерную площадь 30X35 мм и толщину 3—3,5 мм. Внутренний
зажим 4 соединен с упругим элементом в виде плоской пружины 5,
на которую наклеены сопротивления, вмонтированные в
мостовую схему. Сигналы моста, пропорциональные сдвиговой
нагрузке в образцах, усиливаются и с усилителя 6 подаются на
управляющую обмотку реверсивного двигателя 7, связанного с ка-
74 Гл. 1. Испытания каучуков и резиновых смесей
реткой 8, на которой находится перо 9 самописца. Запись
амплитудного значения сдвиговой нагрузки производится на
диаграммной бумаге, закрепленной на съемном барабане 10,
вращаемом от мотора 11 с редуктором при действии
микровыключателя, синхронно работающего с эксцентриковым приводом.
Зажимы 2 и 4 изготовлены полыми. Обогрев зажимов образца
производится от ультратермостата жидкостью, циркулирующей
в полости зажимов.
5. ЭКСПРЕСС-КОНТРОЛЬ СЫРЫХ СМЕСЕЙ
Вопрос о проведении быстрого контроля, или
экспресс-контроля, качества пластикации и смешения поднимался с давних
времен. Как известно, при экспресс-контроле с помощью
кратковременного и точного лабораторного испытания требуется
установить правильность соблюдения режимов пластикации и
смешения, содержания ингредиентов резиновых смесей,.
стандартность применяемых материалов и изготовленной из них
смеси. В принципе это возможно сделать, определяя пластичность
(пласто-эластические свойства, деформируемость) и вулкани-
зуемость (время начала, скорость или степень вулканизации).
Необходим такой метод, показатели которого практически не
зависели бы от колебаний факторов, непосредственно не
связанных с искомыми деформируемостью и вулканизуемостью, как-
то: формы и размеров образцов, способов их изготовления
и т. п., но в то же время четко отображали изменения,
являющиеся следствием нарушения режимов работы технологического
оборудования и отклонений в рецептуре.
Для полного контроля определение одной деформируемости
(пластичности) без вулканизуемости недостаточно, так как
(вследствие малых дозировок) на деформируемости не
сказываются колебания в содержании и плохое распределение
вулканизующих агентов и ускорителей, без которых невозможен
дальнейший перевод смесей в резину.
Однако даже проблема проведения неполного
экспресс-контроля только по пластичности долго не находила решения.
Первые попытки заключались в проведении испытаний
непосредственно на вальцах, с помощью портативных приборов.
Большинство из них работало по принципу измерения глубины
погружения наконечника.
Примерами упомянутых экспресс-пластометров
являются роликовый и дисковый пластометры Фрумкина и Дубин-
кера19.
Применение метода вдавливания (пенетрации) не могло
привести к успеху как из-за того, что де ормируемость материала
5. Экспресс-контроль сырых смесей
75
зависит от степени его пористости, колебаний температуры,
существенного влияния толщины, так и вследствие некоторых
общих недостатков принципа вдавливания, л
рассмотренных выше.
Простота, достаточная компактность и
надежность конструкции сжимающих пла-
стометров явились основными причинами
разработки быстродействующих -приборов
этого типа. Таковы рычажный пластометр
Гёкстра40 и автоматический пластометр
Уоллеса100.
В качестве экспресс-пластометра Г. Ш. Израе-
лит и др.101 предложили прибор, в котором сжатие
производится пружинами. Испытываются
цилиндрические образцы (диаметр 16 мм, высота 10 мм),
заготавливаемые на машине для вырезки, описанной
выше (см. рис. 7).
Образец закладывается между площадками 1 и 2
(рис. 25), находящимися в наконечнике 3. Для этого
площадка 2 поднимается с помощью маховика 6
эксцентрика 5. Прибор погружается в кипящую
водяную баню. После одной минуты прогрева производят
сжатие A мин). Деформируемость смеси (в мм) под
действием силы пружины 4 в 3 кгс отсчитывается по
обратной шкале микрометра 7.
По быстроте определения A мин вме-
сге с заготовкой образца), точности и
простоте работы пластометр Уоллеса (рис.26)
превосходит все существующие приборы
подобного типа.
Испытуемый образец диаметром 13 мм
и толщиной 2,5 мм вырубается
специальным приспособлением. Сжатие образца
производится между двумя параллельными
плитами 1 я 2 диаметром соответственно
10 и 11 мм. Плиты обогреваются паром,
Верхняя плита 1 находится в траверсе 3,
опускаемой связанным с колонками 4
коленно-рычажным соединением 5.
Пружины 6 служат для
предварительного поджатия образца до 1 мм A—2 сек).
После 10-секундного прогрева поджатого
образца к нему прикладывается
сжимающая нагрузка 10 кгс, действующая от
пружины 7 через шток 8. Пружины 9 урав
:— 3
Рис. 25.
Пружинный
пластометр :
/, 2—площадки; 3—
наконечник; 4—
пружина; 5 —
эксцентрик;
6—маховичок; 7 —
микрометр.
76
Гл. I. Испытания каучуков и резиновых смесей
новешивают пружины 7 до освобождения их при помощи
электромагнитного устройства 10. Сжатие осуществляется в
течение 15 сек; электромагнит автоматически выключает
пружины 7. Деформация определяется по
индикатору //.
Недостатком испытания на
сжимающих пластометрах, особенно
при проведении экспресс-контроля,
является необходимость заготовки
образцов.
При использовании
быстродействующих пластометров Уоллеса
этот вопрос не столь актуален, так
как образцы вырубаются штанце-
выми ножами из листа смеси (без
обрезания их торцов), вследствие
чего толщина их может
значительно колебаться.
Более тщательная заготовка
образцов из только что снятого с
оборудования материала не имеет
смысла, поскольку вследствие
восстановления, не успевшего
завершиться после обработки, форма их
будет неизбежно искажаться.
Для исключения влияния
начальных размеров образцы на пластометре Уоллеса
предварительно сжимаются до установления определенного расстояния
между сжимающими площадками A мм). При этом ускоряется
прогрев образцов, частично снимается «предыстория
деформации» и в некоторой степени производится уплотнение материала.
Однако чем больше степень сжатия, тем труднее сжимаем
образец и, следовательно, чувствительность метода меньше*.
Тем не менее пластометр Уоллеса является одним из
наиболее чувствительных приборов, поскольку при испытании на
нем практически исключено влияние колебания размеров и
степени уплотненности образца, что обычно вызывает большой
разброс показателей.
Рис. 26. Пластометр Уоллеса«
/, 2—сжимающие плиты; 3—траверса:
4—колонки; 5—коленно-рычажное
соединение; 6, 7, 5—пружины; в—шток;
10—электромагнитное устройство; 11—
ивдикатор,
* Только для незначительно восстанавливающихся («безусадочных»)
и не пористых смесей, применяющихся, например, в галошном производстве,
возможно использование сжимающих экспресс-пластометров без применения
предварительного сжатия. В этом случае необходима, однако, быстрая и точная
вырезка образцов.
5. Экспресс-контроль сырых смесей
77
Так как на пластометре Уоллеса можно определять лишь
деформируемость, но не вулканизуемость, то испытание на вул-
канизуемость производится независимо.
Например, в НИИШП разработан способ экспрессного
определения степени вулканизации по кольцевому модулю.
Он отличается от стандартного метода (ГОСТ 412—53, см.
раздел 3 главы II) значительной
быстротой, что достигается
существенным повышением температуры
вулканизации образцов (до 200°С)
и уменьшением толщины последних,
приводящим к сокращению
вулканизации до 1 мин. Для точного
соблюдения времени вулканизации
разработан автоматизированный
пресс. Сроки охлаждения более
тонких образцов в проточной воде
также сокращаются.
Интересное решение вопроса
быстрого контроля по
деформируемости и вулканизуемости было
предложено Мареем102. При
температурах значительно более высоких,
чем применяемые для
вулканизации, измерение деформируемости
смеси может быть совмещено с
определением способности к
вулканизации.
Здесь нагреваемый образец
почти одновременно начинает растекаться и вулканизоваться.
Растекание связано с увеличением деформации, вулканизация
практически останавливает растекание.
Температура испытания и сжимающая нагрузка
подбираются так, чтобы течение смеси прекратилось в результате ее вул
канизациИ; а не за счет чрезмерного сжатия.
Характеристиками свойств испытуемой смеси служат
«критическое» время вулканизации (за которое смесь теряет
свойство текучести) и наблюдаемая при этом деформация
сжатия.
Схема кондициметра Марея показана на рис. 27.
Образец диаметром 16 мм, высотой 10 мм помещается
между площадками / (диаметром 16 мм), впрессованными в
нагревательные столики 2. Последние теплоизолированы
фарфоровыми трубками 3. Верхняя площадка поднимается рукояткой 4.
При опускании рукоятки 4 эксцентрик 5 освобождает пуансон 6,
Рис. 27. Кондициметр Марея:
У—площадки; 2—нагревательные
столики; 3—теплоизоляция; 4—рукоятка;
5—эксцентрик; 6—пуаисон; 7—груз
8—секундомер; 9—микрометр.
78 Гл. I. Испытания каучуков и резиновых смесей
который под действием груза 7 сжимает образец.
Одновременно включается секундомер 8. Индикаторный микрометр 9
показывает деформацию. При остановке стрелки микрометра 9
поворотом рукоятки 4 останавливается секундомер.
Производят отсчет времени и деформации. Обычно применяют
температуру испытания 180 °С и груз 1 кгс.
Описанный метод нашел применение при контроле
галошных смесей, однако мало пригоден для шинных смесей, дающих
значительное восстановление и искажение размеров и формы
образцов, вырубленных из не успевшей восстановиться смеси.
Кроме того, установлено, что прибор мало чувствителен к
дозировке вулканизующих агентов в смеси.
Поточный способ производства, на который переводятся
заводы резиновой промышленности, сокращает сроки экспресс-
контроля до 1—3 мин, включая заготовку, испытание и выдачу
результатов.
Поэтому для экспресс-контроля необходимы приборы, для
испытания на которых не требуется специальной заготовки
образцов. Здесь прессование определенной навески материала
любой формы должно производиться непосредственно в
испытательной камере с применением большого давления, как,
например, на сдвиговом вискозиметре Канавца.
На вискозиметре Канавца65, меняя момент маятника, тип и
размеры испытательной формы и существенно повышая ско
рости деформации, можно испытывать с большой точностью
смеси различной вязкости.
При испытании на большой скорости и вследствие быстрого
прогрева тонкого слоя материала, находящегося в зазоре
между стенками прессформы и штыря, стационарное значение
вращающего момента достигается в минимальные сроки.
Автоматическая запись изменения момента вращения во времени
может быть развернута в удобном масштабе, что
особенно важно, если, помимо вязкости сырой смеси, при
температурах порядка 170—200 °С одновременно снимать ее вулкани-
зуемость.
Наиболее близкое соответствие условий испытания на
приборе работе технологического оборудования также является его
преимуществом.
В настоящее время возможности обеспечения
экспресс-контроля с помощью вискозиметра Канавца еще полностью не
обследованы. В частности, представляет существенную трудность
вопрос о быстрой выемке образца и очистке прессформы после
испытания в тех случаях, когда смесь вследствие
неправильного содержания в ней вулканизующих агентов не успела подвул-
канизоваться.
6. Определение клейкости 79
6. ОПРЕДЕЛЕНИЕ КЛЕЙКОСТИ
Испытание каучука или резиновой смеси на клейкость может
быть произведено либо путем отрыва, либо путем отслоения
после предварительного контакта (дублирования испытуемых
материалов). Длительность контакта, действующее при этом
прижимное давление, температура и состояние поверхности
контактирующих тел существенно влияют на прилипание.
При испытаниях на прилипание, так же как и на трение,
где основную роль играют поверхностные явления, для
получения воспроизводимых результатов необходима особо
тщательная подготовка поверхности образцов (очистка в случае
металлических поверхностей и сохранение их гладкости, освежение
поверхности каучука и резиновой смеси).
Поскольку прилипание обусловлено не только
поверхностными свойствами, но и упруго-вязкими характеристиками мате
риалов и т. п., на результаты испытания оказывают влияние
толщина и форма дублируемых образцов. Если применяется
клеевая прослойка, то влияют также свойства последней и ее
толщина.
При отрыве силы прилипания определяются по
сопротивлению отрыву сТотр-, или по нагрузке F, отнесенной к площади S, по
которой происходит отрыв: aOrp.~F[S.
При отслоении, когда нарушение контакта происходит не
одновременно по всей площади, а путем последовательного
разъединения, прилипание 0Р характеризуется удельной
работой, т. е. работой отслоения FI, отнесенной к площади Ы, на
которой оно происходит:
FL F
где F — сила;
/ — длина;
Ь — ширина отслаиваемых полос.
Эту величину иногда называют удельной работой адгезии
или просто адгезией.
Определяя силу отрыва или работу отслоения, необходимо
иметь в виду, что каучуки и резиновые смеси — материалы
легко деформируемые и плохо сохраняющие свои начальные
размеры. Чтобы сохранить номинальную площадь контакта,
целесообразно наносить слои испытуемых материалов на
нерастяжимые подложки (например, на прорезиненные ткани). Этот
прием позволяет также уменьшить деформирование материалов
при их испытании с тем, чтобы работа деформации при отрыве
80 Гл. 1. Испытания каучуков и резиновых смесей
или отслоении была меньше адгезии и результаты испытания
характеризовали главным образом не деформационные, а ад
гезионные свойства.
Испытание может производиться в двух основных режимах:
1) режим заданной скорости отслоения, 2) режим заданной
нагрузки.
В первом режиме наблюдается существенная зависимость
получаемых показателей от скорости отрыва или расслоения.
Во втором режиме показателем испытания является время,
за которое на данной площади произошло разъединение (отрыв
или расслоение) сдублированных материалов.
Многообразие факторов, обусловливающих прилипание, и
различие, а зачастую и полная противоположность условий их
проявления, значительно затрудняют разработку методов
определения клеящей способности материалов. Помимо
вышеперечисленных условий предварительного контактирования,
существенное значение имеют скорости и температуры испытания,
влияющие не только на количественное соотношение
характеристик адгезионной способности различных материалов, но и на
качественную картину нарушения контакта (когезионный или
адгезионный отрыв)*.
Поэтому из существующих приборов для определения
клейкости (клейкометров) следует предпочитать такие, которые
дают возможность широко варьировать условия
предварительного контактирования и последующего разъединения.
Отсутствие таких возможностей является крупным недостатком
широко распространенного клейкометра Бера104, а также весов Мар-
голиной и Воюцкого105, адгезиометра Дерягина для измерения
адгезии пленок высокополимеров к твердой подкладке106
(роликовый вакуумный адгезиометр), прибора Кротовой и Яншина9,
струнного и пружинного аутогезиометра Воюцкого8.
Для исследования влияния времени и нагрузки
предварительного контакта на приборах нет специальных
автоматизированных приспособлений.
* И. Жуков и С. Талмуд103 определяют следующие элементы клейкости:
а) адгезия (внешняя склеивающая способность), характеризующая силы,
посредством которых сцепляются разные тела,
б) когезия (прочность вещества), обусловленная силами, посредством
которых сцеплены молекулы одного рода или одного тела,
в) аутогезия (клейкость), или самослипание; определяется сцеплением
двух поверхностей одного и того же вещества; оказывается значительно ниже
когезии, так как зависит от условий контакта поверхностей.
С методической точки зрения, приборы для определения адгезии и аутоге-
зии принципиально не должны отличаться друг от друга: аутогезия
(самослипание) есть частный случай адгезии (слипания).
6. Определение клейкости
81
Эти операции могут производиться примитивными способами
(например, накладыванием грузов на дублируемые слои в
течение заданного времени) еще до установки образцов для
испытания.
Приборы не позволяют варьировать также условия
испытания (температуры, скорости отрыва или отслоения, либо
задаваемые нагрузки)-
Несколько более
совершенен прибор ЦНИКЗ8, на
котором могут задаваться
разные скорости
расслаивания.
Схема клейкометра
Бера приведена на рис. 28.
Испытуемый материал слоем
определенной толщины наносится
на жесткую подложку (например,
ткань) и полученная заготовка
натягивается на роликах 1 и 2.
Ролик / укреплен на свободно
подвешенном маятнике. Ролик 2
находится на подвеске, приводимой в
движение от эксцентрика 3. При
вращении эксцентрика 3 ролик 2
описывает путь S, прижимая
полоски испытуемого материала при
соприкосновении с роликом / и
отрывая их друг от друга. Во время
контакта роликов 2 и 1 сила их
прижатия регулируется при помощи
весов с разновесами и противовесом 4. При обратном движении ролика 2, во
время отрыва полосок, ролик 1 тянется за роликом 2, пока результирующая
сила, определяемая весом поднятого маятника с грузами и роликом /, будет
равна силе, необходимой для разделения обеих полосок. На маятнике
имеется самописец 6 с пером 5, отмечающий путь ролика 1 до отрыва от ролика 2.
Путь определяет подъем нагруженного маятника, т. е. силу отрыва полосок.
Самописец 6 соединен с приводом эксцентрика. Поэтому при каждом ходе
ролика 2 бумага на самописце смещается на 2 мм и новая запись производится
на другом месте. Ролики 1 и 2 могут вращаться вокруг своих осей, что
позволяет испытывать полоски на склеивание в различных местах. За один полный
оборот роликов 1 и 2 можно произвести 35 повторных испытаний. Время
дублирования при контакте очень мало A—2 сек). Прижимная сила 1—2,5 кгс.
В настоящее время за границей начал широко применять-
зио й Б Л В107
Рис. 28. Схема клейкометра Бера:
/, 2—ролики; 5—эксцентрик; 4—противовес;
fine ро; б—самописец.
р р
глейкометр Буссе, Ламберта и Вердера107 и его
модификации.
На рис. 29 показана схема одного из автоматизированных
вариантов198'109 прибора, а на рис. 30 — устройство автомата,
регулирующего работу клейкометра110:
Мотор (рис. 30) через редуктор связан с колесом 1, имеющим насечки иа
периферии. Когда автомат включен, вращение от колеса / передается на обре-
6—2406
82
Гл. I. Испытания каучуков и резиновых смесей
зиненный ролик 2 B5 об/мин). Кривошип 3 на ролике 2 приводит в возвратно-
поступательное движение рамку 2 (рис. 29) с верхним зажимом /. Нижний
зажим 3 удерживается в заданном «нулевом» положении с помощью двух
предварительно растянутых пружин, но может перемещаться в вертикальной
плоскости под действием нагрузки; при контакте образцов, помещенных в
верхнем и нижнем зажиме, создается желаемое давление дублирования. В нижнем
зажиме укрепляется нить из найлона, ведущая к указателю 6 шкалы 4 нагрузки,
который в свою очередь соединен с поводком 5. При движении верхнего зажима
вверх вместе с ним, вплоть до отрыва
образцов по плоскости контакта, передвигается и
нижний зажим, и указатель шкалы
нагрузок. Поводок указывает на шкале
максимальную величину усилия отрыва.
Движение верхнего зажима продолжается до тех
Рис. 29. Схема
модифицированного клейкометра Буссе
и др.:
1, 3—ззжимы; 2—рамка; 4—шкала'.
5—поводок; 6—указатель.
Рис. 30. Автомат, регулирующий работу
клейкометра, изображенного на рис. 29:
/—колесо; 2— ролик; 3—кривошип; 4—шпиндель;
5—коленчатые рычаги; 6—тормозная колодка; 7—рычаг; 8—
пластинка; 9—стопор; 10—пружина; 11—блок; 12—боковые
пластинки; 13—ось; 14—палец.
пор, пока колесо / и ролик 2 сцеплены, при опущенном конце рычага 7 (см.
рис. 30).
Шпиндель 4 (рис. 30), на котором смонтирован ролик 2, находится в
подшипниках, размещенных в боковых пластинках 12. Последние могут
поворачиваться вокруг оси 13 во вкладышах блока 11. Посредством коленчатых
рычагов 5 боковые пластинки связаны с контрольным рыгагом 7, образуя
шарнирную систему. Система рычагов 5 и 7 самозаклииивающаяся и рычаг 7 не может
подняться вверх при вращении ролика 2. Стопор 9 предохраняет рычаг 7 от
опускания при излишнем давлении. Пружина 10 способствует быстрому отводу
ролика 2 от колеса 1 при подъеме рычага 7 и удержанию тормозной колодкой 6.
К рычагу 7 привернута тонкая металлическая пластинка 8, конец которой
при подъеме или опускании рычага 7 может свободно двигаться по последнему.
Когда ее конец находится над осью соединения рычагов 5 и 7, ролик 2 и
колесо / сцеплены и рычаг 7 опущен.
Палец 14 на колесе 2 закреплен так, что он зацепляет конец пластинки 8
и поднимает рычаг 7, тем самым разъединяя колесо 1 и ролик 2 и прекращая
движение зажима в момеит осуществления контакта образцов. По истечении
необходимого времени контакта с помощью пластинки 8 опускают рычаг 7
6. Определение клейкости 83
и начинают цикл подъема и опускания стоек с верхним зажимом при вращении
ролика 2.
В Англии111 создан клейкометр, позволяющий измерять клен-
кость листа резиновой смеси, непосредственно снятой с
оборудования (вальцев, каландра), без специальной заготовки образ
цов.
На рис. 31 приведена схема клейкометра НИИШП112.
Прибор позволяет производить дублирование испытываемых
образцов при различных прижимных давлениях и временах
контакта, определять силы прилипания путем отрыва и путем
расслоения, при однократном и при повторных дублированиях; в
отличие от ранее описанных приборов на нем можно
производить испытание как в режиме заданной скорости, так и в
режиме заданной силы отслаивания.
Образцы 20 в виде тканевых полосок с нанесенным на них
испытуемым материалом крепятся в зажимах 7. Нижний зажим
связан с траверсой 8, перемещающейся по колонкам 12 при
вращении ходового винта 13 от мотора 17 через ременную
передачу 19, червячный вал 18 и шестерню 16. Рукояткой 15 можно
задать прямой или обратный ход мотору 17. При вращении
винта 13 гайка // тянет трубу 10 с траверсой 8 вверх или вниз,
поднимая или опуская нижний зажим, при этом винт переме
щается в трубе 10. Верхний зажим помещен в стержне 1,
находящемся под давлением рычага 3 с грузом 6.
Дублирование образцов-полосок происходит в момент, когда
движущийся кверху нижний зажим 7 подходит вплотную к
верхнему зажиму 7 и, толкая стержень /, снимает рычаг 3 со
стопора 4, поднимая его вместе с грузом 6. В этот момент
отключается мотор 17.
Начало дублирования отмечается электрическим
секундомером 14, пуск которого осуществляется при замыкании
контактов 2 под действием двигающегося вверх весового рычага 3.
Сила дублирования регулируется весом груза 6 на рычаге 3.
Продолжительность дублирования задается и окончание
определяется моментом включения мотора. При ходе траверсы 8
вниз рычаг 3 опускается на стопор 4, контакты 2 размыкаются
и секундомер 14 останавливается.
Вследствие сцепления сдублированных полосок при
движении вниз траверсы 8 стержень / опускается, соприкасается
своим выступом с горизонтально закрепленной упругой
пружиной 21 и прогибает ее. Прогиб пружины пропорционален силе
расслаивания или силе отрыва сдублированных полосок и
измеряется микрометром 22 либо наклеенными на пружину
тензодатчиками, от которых производится автоматическая запись
нагрузки (см. гл. II об электронных силоизмерителях).
84
Гл. I. Испытания каучуков и резиновых смесей
На рис. 32,а показано устройство зажимов для
расслаивания (вместе с образцами), а на рис. 32,6 — для отрыва.
Описанное испытание проводится в режиме заданной скорости.
Если испытание следует произвести под действием заданной
силы расслаивания
(характеристикой прилипания будет
служить скорость отслаиза-
ния), тогда после дублирования
разъемная гайка // (рис. 31)
выводится из зацепления с
Расслаивание произ-
под действием веса
винтом,
водится
Рис. 31. Клейкометр Хромова
и Зверева:
/—стержень; 2—контакты; S—рычаг;
4—стопор; 5—ролики; 6, 9—грузы;
7—зажимы; в—траверса; 10—труба; //—гайка;
12—колонки; 13— винт; 14—электрический
секундомер; 15—рукоятка; 16—шестерня;
17—мотор; 18—червячный вал;
19—ременная передача; 20—образцы; 21—пружина;
22—микрометр.
Рис. 32. Зажимы к клейкометру
X ромова и Зверева:
а—для расслаивания, б—дли отрыва.
траверсы 8 за вычетом веса
контргрузов 9 (выбирается по
желанию, но меньше веса
траверсы), прикрепленных к нижнему зажиму 7 посредством
троса, перекинутого через ролики 5.
Определяется время перемещения траверсы на заданное
расстояние.
ЛИТЕРАТУРА
!. Г. И. Г у р е в и ч, П. П. К о б е к о, Каучук и резина, № 10, 21
A939).
2. Л. Т р е л о а р, Физика упругости каучука, перев. англ. под ред.
Е. В. Кувшинского, Издатинлит, 1953.
3. Т. А л ф р е й, Механические свойства высокополимерос,вперев, с англ.
под ред. М. В. Волькенштейна, Издатинлит, 1952.
Литература 85-
4 В А Картин, Г. Л. Слонимский, ЖТФ, 11, 341 A941);
ЖФХ, 23, 563 A949).
5. А. П. Александров, Ю. С. Л а з у р к и н, ЖТФ, 9, 1249 A939).
6 Р. В. Т о р н е р, Г. В. Добролюбов, Каучук и резина, № 4,
6 A958); Р. В. Т о р н е р, М. М. М а и з е л ь," Труды МТИЛП,
сб. 11, стр. 56, 1958; Р. В. Т о р н е р, Коллоид, ж., 22, 625 A960).
7. Э. Б є р н х а р д т, Переработка термопластичных :материалов, перев.
с англ. под ред. Г. В. Виноградова, Госхимиздат, 1962.
Я. С. С. В о го ц к и іі, Аутогезия и адгезия высокополимеров,
Госхимиздат, 1960.
9. Б. В. Д е р я г и и, Н. А. Кротова, Адгезия, Изд. АН СССР.
1949; Успехи физ. наук, 36, 387 A948).
10. G. Н. Piper, J. R. Scott, J. Sei. histr., 22, 206 A945); Rubb.
Chem. Technol., 19, 822 A946).
11. J. R. Scott, Trans. 1R1, 20, 8A944); J. R. Sc о t t, R. W. Whor-
low, Proceed. II Rubber Technol. Confer., London, 1948, p. 244;
H. Odenwald, T. Baader, Proceed. 1 Rubber Technol. Confer.,
London, 1938, p. 347.
12. П. Н. Орловский, А. И. Л у к о м с к а я, С. К- Богато-
в а, Хим. пром., № 4, 25 A956); П. Н. Орловский, А. И. Л у-
к о м с к а я, М. А. Ц ы д з п к, С. К. Б о г а т о в а, Каучук и
резина, № 7, 21 A960); А. И. Л у коме к а я, П. Н. Орловский,
М. А. Ц ы д з н к, С. К. Б о г а т о в а, Труды НИИШП, сб. 4,
Госхимиздат, 1957, стр. 86.
13. Г. Л. Слонимский, Хим. наука и пром., 4, № 1, 73 A959);
Н. В. Вер ее отека я, К- Д. Бе бри с, Г. Л. С л о н и
піски й. Каучук и резина, № 3, 27 A959).
14. ГОСТ 416—41. Определение мягкости каучука, пластиката или невулка-
низованных резиновых смесей на пенетрометре Гумбольдта.
15. G. D. Lefcadilis, Trans. IRI, 9, 123 A933); Rubb. Chem. Technol.,
7, 130 A934).
16. F. H о e p p 1 e r, Kautschuk, 17, 17A941).
17. H. Haugen, Kautschuk, 15, 95 A939); W. К u n t z e, Kautschuk,
16, 83 A940); DIN DVM 3502.
18. А. Ф. Данилов, Каучук и резина, № 5, 26 A938); Новости резин.
пром., 12, 8—9, 43 A937)."
19. Л. С. Ф р у м к и н, Ю. Б. Д у б и к к е р, Каучук и резина, № 2,
8 A938).
20. Г. Ш. И з р а е л и т, Механические испытания резины и каучука,
гл. VI, Госхпмиздзт, 1949, стр. 267.
21. R. Ecker, Н. В а п п а s h, W. Н є і d e m а п n, Kautschuk u.
Gummi, 7, \VT 170 A954); H. H a u g e n, Kautschuk, 15, 95 A939).
22. M. M. H є у w о о d, Proceed. I Rubber Technol. Confer., London, 1938,
p. 370; Rubb. Chem. Technol., 12, № 2, 423 A939).
23. I. Williams, Ind. Eng. Chem., 16, №. 4, 362 A924).
24. ASTM D926-56. Standard Method of Test for Plasticity and Recovery of
rubber and rubber-like material by the parallel plate plastometer.
25. ГОСТ 415—53. Определение пластичности каучука и невулканизованных
резиновых смесей на пластометре.
26. R. Houwink, Ph. N. Н є і п г е, Kunststoffe, И, 283 A938).
27. Е. Karrer, Ind. Eng. Chem., Anal. Ed.. 1, 158 A929); Rubb. Chem.
Technol., 2, 602 A929); Ind. Eng. Chem., 21, 770 A929); E. К а г г е г.
J. М. D a v і е s, Е. О. D і e t є г і с h, Ind. Eng. Chem., Anal. Ed.,
2, 96 A930).
28. G. M. Ushenvood, Trans. IRI. 8, 227 A932).
Гл. I. Испытания каучуков и резиновых смесей
Th. Baader, Kautschuk, 14, 223 A938); Kautschuk u. Gummi, 3, 159,
205, 245, 279, 323, 361 A950).
ГОСТ 6074—51. Каучук синтетический бутадиенстирольный марки
СКС-30.
DIN 53514. Warmdruckversuch nach Baader (Defoprufung).
К. Вебер, Коллоидн. ж., 20, 135 A958).
Ф. И. Гальперина, Легкая пром., № 5, 44 A951).
Е. F. L і n h о г s t, India Rubb. World, 128, 626 A953).
В. А. К а р г и н, Т. И. С о г о л о в а, ЖФХ, 23, 351 A949).
36. А. van Rossem, H. van der Meyden, India Rubb. J., 74,
12 A938); Rubb. Chem. Technol., 1, 353 A928).
37. De V r і є s, Archif v. d. Rubbercultur, 8, 223 A925).
38. E. A. G r e n q u і s t, Ind. Eng. Chem., 22, № 7, 759 A930).
39. H. L. Scott Co., Scott Plastometer, Providence, R. I.
40. J. H о e k s t r a, Proceed. I Rubber Technol. Confer., London, 1938,
p. 362; Rubb. Chem. Technol., 12, 434 A939); Gummi-Zeitung, 35 A939);
J. Hoekstra, Physics, 4, 285 A933); Rubb. Chem. Technol., 7, 138
A934): Kautschuk, 9, 150 A933).
41. I. Williams, Ind. Eng. Chem., Anal. Ed., 8, 304 A936).
42. ГОСТ 10201 — 62. Метод определения жесткости каучука и невулканизо-
ванных резиновых смесей.
43. В. Н. Рейх, Б. А. Ф а й н б е р г, Метод технического контроля
качества синтетических каучуков и латексов, гл. III, Госхимиздат, 1951.
44. В. М а г z e t t і, Giorn. di Chim. Ind. Appl., 5, 342 A923); India Rubb.
World, 68, 776 A923); India Rubb. J., 66, 417 A923).
45. J. В e h r e, Kautschuk, 8, 2, 167 A932); Kautschuk, 15, 112 A939);
Kautschuk u. Gummi, 7, WT179 A954).
46. R. W. Griffiths, Trans. IRI, 1, 308 A926).
47. K. A. Schultz, R. С Bryant, J. Appl. Phys., 15, 360 A944);
Rubb. Chem. Technol., 17, 745 A944).
48. J. H. Dillon, N. Johnston, Physics, 4, 225 A933); Rubb. Chem.
Technol., 7, 248 A934).
49. J. H. Dillon, Physics, 7, 73 A936); Rubb. Chem. Technol., 9, 496
A936).
50. И. П. Король, Выдавливающий пластометр, авт . свид. 125690,
класс 42k, 51.
51. А. А. П о з и н, Г. Ш. И з р а е л и т, М. Д. Н у с и н о в, Зав.
лаб., 24, №7, 901 A958).
52. R. Н. Kelsey, J. H. Dillon, J. Appl. Phys., 15, 352 A944);
Rubb. Chem. Technol., 17, 62! A944).
53. M. С T h г о d a h 1, J. Coll. Sei., 2, 187 A947).
54. A. H. Nellen, Ind. Eng. Chem., 29, 886 A931).
55. M. M о о n e y, Ind. Eng. Chem., Anal. Ed., 6, 147 A934); пат. США
2037529, 14/III 1936 г.
56. R. Ы. Taylor, J. H. Fielding, M. M о о n є у, Rubb. Age
(New York), 01, 567; 705 A947).
57. R. H. Taylor, India Rubb. World, 112, 584 A945); Rubb. Chem.
Technol., 19, 808, 821 A946); R. H. Taylor. W. P. Ball, ASTM
Bulletin, № 176, 60 A951); G. E. Decker, F. L. Roth, India
Rubb. World, 128, 339 A953); G. E. Decker, R. D. S t і e h 1 e r,
ASTM Bulletin, № 195, 45 A954); G. E. Decker, ASTM Bulletin,
№ 195, 51 A954); R. D. S t і e h 1 e r, F. L. Roth, India Rubb.
World, 117, 216 A947); 127, 783 A953); Th. Baader, Kautschuk u.
Gummi, 7, WT263 A954).
58. С. M. Blow, J. R. S с h о f і e 1 d, Rubb. Chem. Technol., 23, 601
Литература 87
A951); Н. А. М а с d о п а і d, W. Т. Н є п 1 у s, Telegraph Wor-
кеСо. Ltd.; В. P. 1945; 496, 578.
59. Kautschuk u. Gummi, 12, 146 A959).
60. Rubb.World, 135, 204, 306 A956); Ind. J. Rubb. a. Plast., 137, 10, 16 A959).
61. ASTM D927—57T. Tentative Method of Test for viscosity of rubber and
rubber-like materials by the shearing disk viscosimeter.
62. ГОСТ 10722—64. Резина. Методы определения вязкости и способности
к преждевременной вулканизации.
63. 1SO/TC45 (Secretariat-202), 311, 1957; ISO/ТС 45 (Secretariat-376), 537E.
April, 1960.
64. DIN 53523. Bestimmung der Plastizitat nach Mooney im Warmscherver-
such; Gummi u. Asbest, 12, 258 A959).
65. И. Ф. К а в а н е ц, в сб. «Химия и физико-химия высокомолекулярных
соединений», Изд. АН СССР, 1952, стр. 204.
66. И. Ф. К а в а н е ц, А. И. Л у к о м с к а я, М. М. Р є з н и к о в-
с к и й, Каучук и резина, № 5, 34 A958).
67. М. Д. Н у с и н о в, В. П. Павлов, А. А. П о з п н, и др.,
Каучук и резина, № 8, 24 A957); М. Д. Н у с и н о в, А. А. П о з и н,
Г. И. Г а л ь ч е н к о, Каучук и резина, М» 11, 25 A959).
68. G. G. Н. Hamm, A. van Rosse m, Proceed, internat. congress
rheology, Holland, 1948, sect. E, 11-210.
69. M. П. В о л a p о в и ч, Вязкость смазочных масел при низких
температурах, Изд. АН СССР, 1944; Зав. лаб., № 9, 831 A945).
70. F. Bueche, S. W. Harding, J. Polymer Sei., 32, № 124, 177
A958).
71. Manu-plastometer (fur Zahigkeitsmessung hochviskoser und plastischer
Stoffe), Gebruder Haake, Berlin.
72. M. Mooney, Physics, 7, 413 A936); Rubb. Chem. Technol., 10, 214
A937).
73. P. Mason, L. M. Smith. J. Sei. Instr., 32, 275 A955); Rubb. J.,
130, 192 A956).
74. E. M. Barber, J. F. Muenger, F. J. W і 1 1 f о г t, Anal.
Chem., 27, 425 A955).
75. A. E. J u v e. D. С Hey, India Rubb. World, 117, 62, 74 A947);
Rubb. Chem. Technol., 21, 531 A948); Plastograph der Gesellschaft fur
Mehlphysik Duisburg, Chemiker-Zeitung, 61, 415 A938); J. Beiire,
K. G o h d e, Kautschuk, 15, 160 A939); Rubb. Chem. Technol., 13, 112
A940).
76. Kautschuk u. Gummi, 13, 162 A960).
77. Th. Baader, Kautschuk u. Gummi, 6, WT210; WT235; WT258 A953);
7, WT15; WT263 A954).
78. R. W. W hor low, India Rubb. World, 125, 174 A955); J. Rubb. Res., 20,
71 A951); India Rubb. J., 120, 4, 7 A951).
79. E. S t a 1 і n s k y, Rev. gen. Caout. 32, 773 A955).
80. G. E. Wiliam s, Kautschuk u. Gummi, 11, WT8 A958).
81. Л. Ф. Гудкова, А. И. Л у к о м с к а я, М. М. Р є з н и к о в-
с к и й, Каучук и резина, № 9, 17 A962).
82. Г. М. Бар'тенев, ЖФХ, 24, 1210 A956).
83. R. Н. Taylor, J. H. Fielding, М. М о о n e у, Rubb. Age
(New York), 61, 567; № 6, 705 A947); M. M о о n є у, J. Coll. Sei., 2,
69 A947).
84. А. И. Л у к о м с к а я, М. М. Р є з н и к о в с к и и, П. Н. О р-
л о в с к и й, А. Ф. С т у к а л о в а, в сб. «Физико-механические
испытания каучука и резины» Госхимиздат, 1960, стр. 154 (Труды
НИИШП, сб. 7).
Гл. I. Испытания каучуков и резиновых смесей
85. А. И. Л у к о м с к а я, П. Н. Орловски й, С. Б. М е р е ж а н-
н ы й, А. Ф. С т у к а л о в а, Каучук н резина, № 4, 36 A961);
А. И. Л у к о м с к а я, Л. Ф. Гудкова, С. Б. М е р е ж а н-
н ы й, П. Н. Орловский. М, М. Р є з н и к о в с к н й,
Каучук и резина, № 4, 21 A962).
86. I. D г о g і n, H. R. Bishop, P. Wiseman, Rubb. Age
(New York), 74, 707 A954); R. L. Zapp, A. M. G e s s 1 e r, Ind.
Eng. Chem., 36, № 7, 656 A944); Rubb. Chem. Technol., 17, 882 A944);
A. E. J u v e, India Rubb. World, 110, № 1 A944).
87. Г. С. У и т б и, К. К. Д э в и с, Р. Ф. Д а н б р у к, Синтетический
каучук, гл. XI, Госхимиздат, 1957.
88. D. Chalmers, India Rubb. World, 121, 51 A949).
89. ГОСТ 423—53. Определение подвулканизации резиновых смесей.
90. ASTM D1077—55Т. Tentative Method of Test for curing characteristics of
vulcanizable rubber mixtures during heating by the shearing disk viscometer.
91. DIN 53524. Bestimmung des Anyulkanisations Verhaltens von
Elastomermischungen mit dem Scherscheiben-Plastometer nach Moony; Gummi u.
Asbest, 12, 258 A959).
92. ISO/TC 45 (Secretariat-300), 440 «Second draft proposal for the
determination of rate of cure of natural and synthetic rubber compounds by the
Mooney viscometer».
93. A. E. Juve, India Rubb. World, 110, № 1,51A944); J. V. Weaver,
Rubb. Age (New York), 48, 89 A940); R. Shearer, A. E. Juve,
J. H. Musch, India Rubb. World, 117, 216 A947); Rubb. Chem.
Techn; 21, 490 A948); Г. С. У и т б и, К. К. Д э в и с, Р. Ф. Дав-
брук, Синтетический каучук, Госхимиздат, 1957, стр. 411.
94. I. Peter, W. Heidemann, Kautschuk u. Gummi, 10, WT168
A957); 11, WTI59 A958); Agfa Vulkameter, typ. 9004 «Me?gerate neuen
Typs».
95. A. S. More, S. H. Morrell, A. R. Payne, Rubb. J. a. Intern.
Plast, 136, 858 A959); Rev. gen. Caout., 36, 100 A959).
96. Research Associat. British Rubber Manufactur; H. W. Wallace a. Co. Ltd.
(Patent Applicat. № 041577/1958).
97. R. N. F. Pinfold, Trans. IRI, 37, 206 A961); Kautschuk u. Gummi,
13, 162 A960).
98. А. И. Цветков, Д. Л. Ф е д ю к и н, Н. В. 3 а х а р е н к о,
Каучук и резина, № 9, 31 A961); Н. В. 3 а х а р е н к о, И. И.
Козлов, Д. Л. Ф е д ю к и н, В. А. Филиппов, А. И.
Цветков, авт. свид. № 66045: Бюлл. изобр. № 23 A960).
99. А. И. Цветков, Д. Л. Ф е д ю к и н, Н. В. 3 а х а р е н к о,
И. И. Козлов, В. А. Филиппов, авт. свид. 134069, класс
42к, 51; Бюлл. изобр. № 23 A963).
100. J. R. Scott, Trans. IRI, 29, 175 A953).
101. Г. Ш. И з р а е л и т, Г. И. П и н е в и ч, Д. Е. Куприянов,
Ю. 3. Г р а с ю к, Д. Л. Ф е д ю к и н, Труды НИИ резиновых и
латексних изделий, сб. I, Госхимиздат, 1958, стр. 134. ,
102. А. И. Марей, Каучук и резина, № 9, 34 A958).
103. И. Жуков, С. Т а л м уд, ЖРП, № 11, 1005 A935).
104. Buna-Werke G. m. b. H. Anwendungstechnische Abteilung, Schkopau, den
22. 10. 1945, DI Br/M.
105. Ю. Л. M a p г о л и н а, С. С. В о ю ц к и й, Зав. лаб., № 3, 321 A948);
Успехи химии, 18, 449 A949).
106. Б. В. Д е р я г и н, С. М. Сорокин, Труды НИИ ОГИЗа, вып. 5,
207 A937); Б. В. Дерягин, Н. А. Кротова, ДАН ?ССР,
61, 849 A948).
Литература 89
107. W. F. Busse, J. M. Lambert, B. B. V e r d e г у. J. AppL
Phys., 17, 376 A946).
108. S. ?ostrom, Kautschuk u. Gummi, 4, 207 A951).
109 R. К- Beckwit h, L. M. Welch, J. F. Nelson, A. L. С h a-
ney, E. A. McCracken, Ind. Eng. Chem., 41, 2247 A949); Rubb.
Chem. Technol., 23, 933 A950).
110. E. W. J. В e a v e n, P. G. CraH-Win t e, P. J. Garner,
G. R о о n e y, Proceed. 11 Rubber Technol. Confer., London, 1948,
p. 224; Rubb. Chem. Technol., 23, 719 A950).
111. B. Pickup, Trans. IRI, 33, 58 A957).
112. M. К. Хромов, в сб. «Изучение новых ингредиентов резиновых
смесей», Госхимиздат, 1960, стр. 95 (Труды НИИШП, сб. 5).
Глава II
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПРОЧНОСТНЫХ И УПРУГО-
РЕЛАКСАЦИОННЫХ СВОЙСТВ РЕЗИНЫ
ПРИ СТАТИЧЕСКОМ НАГРУЖЕН ИИ
1 МЕХАНИЧЕСКОЕ ПОВЕДЕНИЕ РЕЗИН ПРИ СТАТИЧЕСКОМ
НАГРУЖЕНИИ
Основные понятия и определения
Раздельное рассмотрение механического поведения резины,
так же как и других материалов, при статическом и
динамическом нагружении широко распространено и, видимо,
практически целесообразно, хотя механические свойства резин при
обоих режимах в принципе могут быть описаны единой
зависимостью механического поведения резины от скорости нагру-
жения.
К статическим испытаниям относят испытания на
релаксацию напряжения, ползучесть, долговременную прочность,
растяжение с постоянной и небольшой скоростью деформации
и т. д.
Механическое поведение резины при такого рода
испытаниях характеризуется ее упруго-релаксационными свойствами
(определяющими связь между напряжением и деформацией) и
прочностью, т. е предельным сопротивлением механическому
разрушению.
Под упругими свойствами материалов понимают обычно тот
комплекс свойств, который характеризует их способность меха
нически обратимо деформироваться под воздействием
уравновешенной системы внешних сил. Упругостью обладают, в той
или иной степени, все конструкционные материалы и, прежде
всего, металлы, широкое применение которых явилось основой
развития современной теории упругости и базирующегося на
ней учения о сопротивлении материалов.
По своей способности к обратимым деформациям резина
резко превосходит все другие материалы. Так, при простом
растяжении л\7чшие сорта стали сохраняют свои упругие свойства
1. Механическое поведение резин при статическом нагружении 91
лишь при деформациях, не превышающих 1%. Дальнейшее
деформирование приводит к развитию необратимых
(пластических) деформаций либо к хрупкому разрушению. Резина, как
известно, способна, не разрушаясь и без заметных остаточных
деформаций, выдерживать растяжения в 1000 раз большие.
Эта способность резины к столь большим обратимым
деформациям получила название высокоэластичности.
Принципиальные особенности молекулярного механизма
высокоэластичности вскрыты в настоящее время с достаточной
полнотой, причем в развитии основных представлений большую
роль сыграли советские ученые*.
В согласии с современными представлениями,
высокоэластическая деформация резины обусловлена способностью длинных
цепных молекул каучукового полимера изменять, под
воздействием внешних сил, свою конфигурацию. Эти изменения, так как
они не сопровождаются сколько-нибудь существенными
нарушениями межатомных и межмолекулярных расстояний,
происходят сравнительно легко, почему усилие, которое должно быть
приложено для растяжения образца резины до некоторой
заданной деформации, в сотни тысяч раз меньше того, которое
нужно для такого же растяжения аналогичного образца стали.
В недеформированной резине отдельные участки
молекулярных цепей, или звенья, располагаются в пространстве
случайным образом.
Если температура не слишком низка (выше температуры
стеклования), звенья молекул обладают достаточно большой
подвижностью и характер их взаимного расположения и
теплового движения, по-видимому, таков же, как и в обычных
низкомолекулярных жидкостях. Отличие заключается, однако, з
том, что звенья являются составными частями молекулярных
цепей, образующих в совокупности более или менее прочную
пространственную структуру.
Наложение внешней силы приводит к тому, что звенья
частично ориентируются в направлении действующей силы.
Самопроизвольное восстановление высокоэластическим
телом своей формы (после удаления внешней силы) является
следствием теплового движения и его дезориентирующего
влияния на расположение звеньев.
Процессы ориентации и дезориентации звеньев протекают во
времени, вследствие чего равновесие между силой и
вызываемой ею деформацией не устанавливается мгновенно.
* П. П. К о б е к о, Я. И. Френкель, А. П. Александров,
В. А. К а р г и н, Б. А. Д о г а д к и н, М. В. В о л ь к е н ш т е й н,
Е. В. К у в ш и н с к и й, Ю. С. Л а з у р к и и, Г. Л. Слони м-
с к и ft, Г. М. Бартенев н др.
32 Гл. II. Опред. проч. и упруго-релаксш',. свойств резины при статич. нагр.
Ниже будут последовательно рассмотрены: а) особенности
механического поведения резины при равновесии; б)
релаксационные свойства (определяющие кинетику достижения
равновесного состояния) и в) прочностные свойства.
Равновесное состояние
Состояние, близкое к равновесному, практически может быть
достигнуто длительной выдержкой испытуемого образца резины
при данном напряжении либо деформации.
•Вопрос об абсолютном характере такого равновесия
является, однако, спорным, особенно для технических резин,
содержащих большие количества активных наполнителей.
По существу, только для ненаполненных резин состояние
равновесия может рассматриваться как достаточно
определенное. При этом следует лишь учитывать возможность
протекания в резине необратимых изменений ее структуры (разрывы и
рекомбинации химических связей), особенно при повышенной
температуре. Эти процессы, однако, протекают значительно
медленнее, чем установление равновесия, и последнее удается
определить достаточно четко. Несколько подробнее этот вопрос
будет рассмотрен в следующем разделе.
Знание законов деформации для равновесного состояния
важно не только для тех случаев, когда равновесие
действительно достигается, но и для описания любых неравновесных
режимов нагружения.
К сожалению, попытка использования понятия равновесия
при описании механических свойств технических резин,
содержащих активные наполнители, часто оказывается
несостоятельной. О влиянии наполнителя на упругие свойства резины будет
сказано подробнее в конце раздела.
В классической теории упругости задача количественной
характеристики упругих свойств сводится к определению
комплекса показателей, знание которых необходимо и достаточно для
установления связи между напряжениями и деформациями при
любых видах нагружения тел произвольной формы.
Важнейшими допущениями теории упругости являются
предположения о том,что:
а) связь между напряжениями и деформациями в данном
теле однозначна и не зависит от времени (деформация,
соответствующая приложенному напряжению, устанавливается
мгновенно и сохраняет свое постоянное значение до тех пор, пока
не изменится напряжение. Прекращение действия
напряжения приводит .к мгновенному исчезновению деформации);
1. Механическое поведение резин при статическом погружении 93
б) связь между напряжениями и деформациями линейна,
а сами деформации малы.
Первое основное допущение теории упругости, с
некоторыми оговорками, может быть применено и к описанию
механических свойств резины при равновесии, так как в этом
предельном случае овязь между напряжениями и деформациями
однозначна и не зависит от времени.
В общем случае, очевидно, к резине не приложимо
допущение о малости деформаций и линейном характере их зависи
мости от напряжения. Однако на практике в большинстве
резиновых изделий реализуются относительно небольшие
деформации (не превышающие 10%). При этом для инженерных
расчетов можно принять, что эластические свойства резины при
статическом нагружении описываются линейным законом Гу'ка*.
Область применения этого закона (по деформациям) для
резины гораздо шире, чем, например, для металлов, где она
ограничена пластическим течением либо хрупким разрушением1.
Таким образом, во многих практически важных случаях
резиновые изделия либо детали рассчитываются на основе клас
сической теории упругости обычными методами науки о
сопротивлении материалов. В общем случае проведение такого рода
расчетов требует определения двух независимых показателей
упругости, например модуля сдвига G и модуля объемного
сжатия В. Для резины задача, однако, упрощается потому, что
благодаря резкому различию между этими модулями,
изменениями ее объема при обычно реализуемых нагружениях можно,
как правило, пренебречь.
В самом деле, при всестороннем сжатии упругие свойства
резины не отличаются от свойств низкомолекулярных твердых
либо жидких тел.
Если, например, цилиндрический образец резины поместить
в стальной стакан и сжать поршнем так, чтобы образец не имел
возможности раздаваться в стороны, то, чтобы вызвать
некоторую усадку, понадобится давление, в сотни тысяч раз
превышающее то, которым можно до такой же степени сжать образец
со свободной боковой поверхностью.
Таким образом, вместо двух констант, необходимых для
описания упругих свойств металлов, здесь можно ограничиться
одной, например модулем Юнга Е, представляющим собой
коэффициент пропорциональности между напряжением (/) и дефор-
* В литературе иногда термин «гукова упругость» применяется для
характеристики упругости полимеров в стеклообразном состоянии. Здесь
выражение «закон Гука» указывает лишь на пропорциональность между силой и
деформ ацией.
94 Гл. П. Опред. проч. и упруго-релаксрц. свойств резины при статич. нагр.
мацией (є) при простом растяжении:
f = Ez A)
В самом деле, согласно известному соотношению теории
упругости:
Е - 9BG (О)
? - ЪВ + G W
при ?>G связь между модулями Юнга (Е) и сдвига (G)
имеет вид:
Е = 3G C)
Практическая несжимаемость резины означает также, что
любое ее сложно-напряженное состояние, с физической точки
зрения, есть некоторое сочетание сдвиговых деформаций, так
как по определению только этот вид деформации не
сопровождается объемными изменениями.
Последнее заключение сохраняет свою справедливость и в
области относительно больших деформаций.
Для больших деформаций резины закон Гука не
выполняется.
Связь между напряжением и деформацией резины при
относительно больших деформациях (до 300—400%) в условиях
установившегося равновесия исследовалась при различных
видах напряженного состояния2.
В большинстве работ изучалось, однако, поведение резины
при простом растяжении, причем объектами исследования чаще
всего являлись предельно простые по составу ненаполненные
вулканизаты.
Одной из главных причин широкого развития такого рода
исследований явилась возможность проверки на их основе
выводов молекулярно-кинетической теории, сыгравшей большую
роль в выяснении природы высокоэластичности.
Молекулярно-кинетическая теория есть результат приложения методов
классической, а затем и статистической термодинамики к описанию
механического поведения некоторой «идеальной» резины. Допущения статистической
теории сводятся к следующим положениям, в общем согласующимся с
современными представлениями о молекулярном строении резины. Принимается,
что:
1. Резина состоит из длинных цепных молекул, объединенных в
пространственную сетку, причем все цепи, образующие сетку, имеют одинаковую длину,
или, что то же самое, построены из одинакового числа звеньев.
2. Расстояния между узлами сетки в недеформированном состоянии
(зависящие от конфигурации молекулярных цепей) случайны и их
распределение описывается законом Гаусса.
/. Механическое поведение резин при статическом нагружении 95
3. Объем образца при деформации не меняется, а форма каждой отдельной
молекулы меняется так же, как форма всего образца.
Основное соотношение статистической теории для простого
растяжения при деформациях до 300—400% имеет вид:
где f — условное напряжение, или усилие растяжения,
отнесенное к площади поперечного сечения недеформиро-
ванного образца;
р — плотность;
R — газовая постоянная;
Т— абсолютная температура;
Мс — масса участка молекулярной цепи между двумя
узлами пространственной сетки;
X — степень растяжения (X = L/L0 = e+1, где L и Lo —
длина рабочего участка образца в растянутом и
нерастянутом состояниях).
Следующая из соотношения D) прямо пропорциональная
зависимость между напряжением и абсолютной температурой
хорошо согласуется с экспериментом и является наиболее
фундаментальным фактом, подтверждающим кинетическую теорию
высокоэластичности резины.
Несколько хуже согласуется уравнение D) с общим
характером наблюдаемой экспериментально зависимости между
равновесными значениями напряжения и деформации. Даже в
области относительно небольших удлинений (до 300—400%), для
которой и сформулированы основные посылки статистической
теории, согласие с опытными данными не вполне
удовлетворительно. Безусловно непригодно соотношение D) для описания
свойств резины при больших (приближающихся к разрывным)
удлинениях.
Помимо простого растяжения, статистическая теория
рассматривает и более общий случай однородной деформации,
характеризуемой тремя главными степенями растяжения (),[, Яг,
лз) в трех главных взаимно перпендикулярных направлениях.
Теоретически полученное выражение для удельной работы
деформации, или упругой энергии, запасенной в единице
объема материала, имеет вид:
W = ±-GW+M + tt-3) (о)
96 Гл. II. Опред. проч. и упруго-релаксцц. свойств резины при статич. нагр.
Соотношение D), так же как и другие выражения,
характеризующие связь между напряжениями и деформациями при
различных видах однородной деформации, могут быть получены
при дифференцировании E) как частные решения.
Экспериментальное исследование равновесно-упругих
свойств резины при различных видах нагружения (растяжение,
сжатие, сдвиг, двумерное растяжение) показало, что
соотношение E) может быть использовано лишь как весьма грубое
приближение.
В значительно лучшем согласии с опытом находится
выражение:
(i| ) F)
которое содержит, однако, не одну, а две константы Сі и Сг
и должно уже рассматриваться как эмпирическое.
Соотношение F) интересно тем, что с его помощью могут
быть решены и практически решались задачи по инженерному
расчету некоторых простейших изделий и деталей.
При исследовании равновесно-упругих свойств резины в
условиях простого растяжения было найдено3, что связь между
напряжением и деформацией в области удлинений, не
превышающих 300—400%, хорошо описывается простым
соотношением:
зга = ?Ms G)
в котором ах — истинное равновесное напряжение,
определяемое как отношение растягивающего усилия (F) к поперечному
сечению растянутого образца E).
Для резины, объем которой при растяжении можно считать
постоянным, истинное напряжение а может быть выражено
через условное / весьма просто. Записав постоянство объема при
растяжении условием
имеем:
a- F F L
Коэффициент пропорциональности (?оо) между деформацией
растяжения и равновесным значением истинного напряжения
называют равновесным модулем резины. Помимо общего
значения этого показателя как характеристики упругих свойств ре-
/. Механическое поведение резин при статическом погружении 97
зины при простом растяжении, он находит применение при
количественном изучении различных процессов, приводящих к
структурированию и деструкции (например, вулканизации,
старения и др.).
Вулканизация приводит к сшиванию молекулярных цепей
каучукового полимера во все более густую пространственную
сетку. В соответствии с
кинетической теорией высоко-
эластичности равновесный
модуль резины должен
возрастать пропорционально
степени вулканизации или
числу образующихся узлов
пространственной сетки.
Имеющиеся в этой части
опытные данные находятся
в хорошем согласии с
теорией, хотя надо иметь в
виду, что теория
принципиально применима лишь к
относительно редким сеткам.
Весьма существенно
влияние активных
наполнителей, приводящих к резкому
повышению жесткости рези-
100 200 300 +00 500
Предварительная дедзормация, %
ны.
квазиравновес-
определениого при
деформации в= 100%, от величины
предварительной деформации для
вулканизатов СКВ с различным
содержанием канальной сажи (в вес. ч. на
100 вес. ч. каучука):
/-0; г—10; 3-20; 4-40.
Видимое равновесие,
которое устанавливается при
деформации наполненных резин, оказывается в сильнейшем
степени завчсящим от механической.предыстории образца, т. е.
от тех деформаций, которые он испытал до опыта.
Если, например, равновесие достигается путем релаксации
напряжения при заданной деформации, то оказывается, что
равновесное значение напряжения зависит от того, претерпевал ли
данный образен раньше деформации, большие, чем та, при
которой исследуется равновесие. Наибольшее значение
равновесного напряжения соответствует случаю, когда образец
предварительно не нагружался, либо испытывал деформации,
меньшие, чем в опыте. Если, однако, предварительная деформация
была большей, чем деформация в опыте, то равновесное
значение напряжения оказывается тем ниже, чем большей была
предварительная деформация.
Сказанное иллюстрируется данными, представленными на
рис. 33. Термины «квазиравновесное напряжение» и «квазирав-
7—2406
98 Гл. II. Опред. проч. и упруго-релакфц. свойств резины при статті, нагр.
новесный модуль» введены для того, чтобы подчеркнуть
условный характер равновесия, достигаемого при деформации
наполненных резин. Как видно из рис. 33, образцы, подвергавшиеся
предварительной тренировке растяжением до удлинений,
близких к разрывным, в области относительно малых деформаций,
обладают квазиравновесным модулем, по своему значению
приближающимся к равновесному модулю ненаполненных резин
с той же степенью вулканизации.
В общем, влияние наполнителя на механические свойства
резины связано главным образом с изменением внутреннего
трения (определяющего скорость установления упругого
равновесия, а не само это равновесие).
Из рис. 33 видно также, что для сильно наполненных резин
влияние предварительных деформаций столь значительно, что
пренебрегать им ни при каких обстоятельствах нельзя. К
сожалению, общих рекомендаций по количественной характеристике
эластических свойств наполненных резин не существует даже
применительно к простейшему случаю статического
нагружения. Для того, чтобы избежать ошибок при использовании тех
или иных значений квазиравновесного модуля при инженерных
расчетах, лабораторные испытания образцов должны
проводиться при деформациях, близких к практически реализуемым
в соответствующих изделиях. Если же эти деформации не
вполне определенны, лабораторные образцы перед проведением
испытаний целесообразно подвергать предварительной
тренировке несколькими циклами растяжения до максимальной из
ожидаемых в изделии деформаций.
В числе компонентов резины, существенно влияющих на ее
эластические свойства, следует упомянуть мягчители либо
пластификаторы. Введение пластификаторов в общем случае
приводит к уменьшению равновесного модуля резины.
В первом приближении можно принять, что пластификатор,
действуя как простой разбавитель, уменьшает число
молекулярных цепей каучука в единице объема обратно
пропорционально степени разбавления, что приводит к соотношению:
•С-пластиф. == fccyxP w)
где v — отношение объема системы к объему каучуковой
компоненты.
Релаксационные свойства
Понятие релаксационные свойства охватывает весь комплекс
вопросов, связанных с зависимостью механического поведения
езины от временного режима нагружения.
I. Механическое поведение резин при статическом нагружении 99
Как уже указывалось в вулканизатах, следует различать
релаксационные процессы двоякого рода.
Прежде всего может быть выделен относительно быстрый
релаксационный процесс, имеющий чисто физическую природу,
Он обусловлен тем, что развитие высокоэластических
деформаций связано с изменениями конфигураций молекулярных цепей
и, следовательно, с преодолением сил ван-дер-ваальсова
взаимодействия.
Время, потребное для осуществления необходимых
перегруппировок, тем больше, чем больше энергия взаимодействия, и тем
меньше, чем интенсивнее тепловое движение, т. е. чем выше
температура.
Завершение относительно быстрого релаксационного
процесса приводит к установлению равновесия, рассмотрению
которого был посвящен предыдущий раздел.
Условный характер достигаемого таким образом равновесия
обнаруживается, например, если наблюдение ведется
длительно и при достаточно высокой температуре. В этих условиях
может быть выделен второй, гораздо более медленный
релаксационный процесс, сущностью которого являются разрывы
валентных химических связей, приводящие к необратимым
изменениям молекулярной структуры материала и формы
испытуемого образца.
В дальнейшем при рассмотрении релаксационных явлений,
будем называть процессы, связанные с перегруппировкой
структурных элементов в поле действия сил межмолекулярного
взаимодействия, физической релаксацией, а процессы,
обусловленные распадом и перегруппировкой химических связей, —
химической релаксацией.
Обычно химическая релаксация значительно медленнее
физической потому, что энергия химических связей на порядок
выше энергии межмолекулярного взаимодействия. Большое
различие в скоростях приводит к тому, что в температурно-
временном интервале, в котором существенно проявление
физической релаксации, химическая релаксация протекает обычно с
пренебрежимо малой скоростью. Наоборот, когда существенны
проявления химической релаксации, физическая релаксация
протекает столь быстро, что она практически ненаблюдаема*.
Для большинства технических резин при температурах, не
превышающих 70 °С, и длительности нагружения, измеряемой
минутами, основное значение имеет физическая релаксация.
При более высоких температурах и в тех случаях, когда дли-
* Исключение составляют случаи действия дополнительных факторов
(агрессивные среды и др.), ускоряющих химическую релаксацию и не
влияющих на скорость физической релаксации.
7*
100 Гл. Н. Опред. проч. и упруго-релаксрц. свойств резины при статич. нагр.
тельность нагружения измеряется сутками и месяцами,
приходится считаться с химической релаксацией.
Рис. 34 приведен для иллюстрации проявления физической
и химической релаксации в резине4 при различных
температурах и временах воздействия. Легко видеть два характерных
температурно-временных интервала (соответствующих рассмот-
280 320 ЗЄ0
Температура, °/с
Рис. 34. Зависимость напряжения от температуры. Цифры
у кривых показывают время выдержки образца в
растянутом состоянии в часах.
ренным механизмам релаксации), разделенных областью, в
которой напряжение почти не зазисит от времени действия
силы и температуры. Наличие этой области и дает, по существу,
право говорить о равновесном напряжении и рассматривать
закономерности равновесного состояния так, как это было
сделано в предыдущем разделе.
В различных режимах статического нагружения,
реализуемых при механических испытаниях резины, могут быть
существенными проявления как физической, так и химической
релаксации.
Так, необходимость регламентирования скоростей
нагружения при определениях твердости, предела прочности при
растяжении, морозостойкости и других кратковременных
испытаниях, проводимых при обычной либо пониженной температуре,
/. Механическое поведение резин при статическом нагружении 101
обусловлена физической релаксацией. С другой стороны,
испытания на длительную прочность, релаксацию и ползучесть при
повышенной температуре и другие аналогичные испытания
проводятся в условиях, когда определяющее значение имеет
химическая релаксация.
?
Рис. 35. Механические модели:
а—сочетание истинно упругой, обратимой высокоэластической и необратимой
деформации химического течения; б—сочетание истинно упругой и
обратимой высокаэластической деформации; б—сочетание обратимой
высокоэластической деформации И ХИМИЧЕСКОГО течения [Eg, ?вэл —МОДУЛИ, Т)ф,
-^—ВЯЗКОСТИ).
Статические методы испытаний, имеющие целью
характеризовать релаксационные свойства резины, наиболее
целесообразно применять при изучении химической релаксации, в то
время как быструю физическую релаксацию лучше изучать в
условиях динамического нагружения, о чем и будет сказано
подробнее в главе IV. Необходимо иметь в виду, что при
низких температурах, близких к температурам стеклования,
физическая релаксация проявляется достаточно полно даже при
статических режимах.
В настоящее время нет общепринятых рекомендаций по
количественному описанию релаксационных свойств резины. В
качестве первого, хотя и весьма грубого, приближения и здесь
может быть применен модельный метод, использованный уже
выше при описании упруго-вязких свойств каучуков и сырых
резиновых смесей.
Простейшая модель, пригодная для описания системы с
двумя независимыми релаксационными механизмами, должна
состоять из двух пружин (упругих элементов) и двух демпферов
(вязких элементов).
Одна из моделей такого рода представлена на рис.35,а.
Модель соответствует физически ясному представлению о трех
составляющих деформации: истинно упругой, обратимой высоко-
102 Гл. П. Опред. проч. и упруго-релаксац. свойств резины при статич. нагр.
эластической и необратимой деформации «химического
течения».
Ео характеризует упругость резины при мгновенном нагру-
жении либо при весьма низкой температуре, когда низкое
сопротивление демпферов г|ф и тії можно считать бесконечно
большим и, следовательно, все элементы модели, кроме пружины с
модулем упругости Ео, — не способными деформироваться.
При описании относительно быстрой релаксации,
соответствующей кратковременному нагружению при не слишком
высокой температуре, принимается, что демпфер с вязкостью т)ф
размораживается, в то время как вязкое сопротивление
демпфера т]х продолжает еще оставаться бесконечно большим.
Таким образом, механическое поведение резины в температурно-
временном интервале физической релаксации характеризуется
моделью рис. 35,6.
И, наконец, при высоких температурах и длительных
силовых воздействиях можно пренебречь вязкостью т]ф, как весьма
малой, но зато принять, что вязкость цх, условно определяющая
кинетику разрушения химических связей, имеет конечное
значение. В последнем случае релаксационные свойства можно
характеризовать моделью, изображенной на рис. 35,е, в которой
для простоты не учитывается деформируемость, связанная с
истинной упругостью. Поскольку модуль Ео больше Евэл. на
3—4 порядка*, такое упрощение, конечно, целесообразно.
Для иллюстрации возможностей метода проанализируем
модель несколько подробнее, начав с физической релаксации.
Общее уравнение деформации модели, изображенной на
рис. 35,6, имеет следующий вид:
*L-F dt "~?°°? A0)
где
Е'=Е+Е Е**. AОа>
Физический смысл постоянных Ее» и Тф легко вскрыть,
проанализировав частное решение уравнения A0) для случая релак-
* Это ясно из сопоставления упругих свойств резин в застеклованном и
высокоэластическом состояниях.
/. Механическое поведение резин при статическом нагружении 103
сации напряжения при заданной деформации:
<* @ = К - ?~е) e~t!x +E^e (і і)
где Со — начальное значение напряжения при ^ = 0.
Из уравнения A1) видно, что постоянная Еоо характеризует
упругие свойства резины при равновесии, соответствующем
завершению физической релаксации. В самом деле, при t—*oo
имеем croo = ?30s, т. е. получаем линейный закон, уже
рассмотренный в предыдущем разделе. Заметим здесь, что E^^EBail.,
так как множитель Е0/(Е9 + ЕБэл.) в соотношении A0,а) может
быть принят равным единице.
Согласно соотношению A1), релаксация напряжения
должна описываться простым экспоненциальным законом (рис. 36),
в котором постоянная Тф характеризует время, необходимое для
того, чтобы равновесная часть напряжения [a(t)—Е^г]
уменьшилась в «е» раз по отношению к первоначальному значению
[сг0—Ясоє].
Постоянную Тф принято называть периодом физической
релаксации либо просто периодом релаксации.
Аналогично соотношению A1) из основного уравнения
модели A0) могут быть получены частные решения для
ползучести, деформирования с постоянной скоростью и других видов
нагружения.
Соответствующие выражения имеют вид:
а) ползучесть при заданном напряжении cr=const = uo;
-J- =0 (рис. 37)
A2)
где so — начальное значение деформации при ^ = 0;
б) постоянная скорость деформирования (рис. 38)
dt
—ft = const = v
3--?^ + (?0-?.)uV. ф A3)
Из сопоставления соотношений A1) и A2) можно сделать
вывод о том, что равновесие в режиме постоянства деформации
должно устанавливаться значительно быстрее, чем в режиме
заданного напряжения. Это следует из того, что константы
скорости соответствующих процессов отличаются на множитель
?о/?вэл-, имеющий порядок величины 103—104.
104Гл. II. Опред. проч. и упруго-релаксац. свойств резины при статич. нагр.
?- const
Недостаточность уравнений
A1—13) для количественной
характеристики
релаксационных свойств проявляется,
например, в том, что релаксация
напряжения при заданной
деформации не подчиняется
простому экспоненциальному
закону. Вместо ожидаемой
прямой в системе координат
\ga — t (соответствующей
экспоненциальному закону)
получаются кривые, наклон
которых (характеризующий
скорость релаксации) убывает по
мере приближения к
равновесию. Такой тип зависимости
указывает на то, что
эффективное значение периода релаксации т (которое может быть
определено как котангенс угла наклона к данной точке кривой)
с течением времени возрастает.
Рис. 36. Релаксация напряжения,
описываемая экспоненциальным
законом (модель рис. 35, б):
О—напряжение; I—время; Е —равновесный
модуль.
Рис. 37. Изменение деформации во
времеии при постоянном напряжении
(модель рис. 35, б):
е—деформация; ./—время; напряжение
о — const = оо. s0—начальное значение дефор-
мацни.
Рис. .-.8. Зависимость между
деформацией ? и напряжением а при
постоянной скорости деформиропа-
ния tMconst=-^- (модель рис.
35, б):
Е , Ео—модули; т — период физической
°° ф
релаксации.
Применение более сложных
моделей с большим числом
упругих и вязких элементов,
отражающих представление о наборе времен релаксации,
может, конечно, улучшить согласие между опытными и
расчетными. При этом, однако, теряется основное преимущество
модельного метода — физическая наглядность.
/. Механическое поведение резин при статическом нагружении 105
Как уже указывалось в разделе 1 главы I, посвященном
рассмотрению механических свойств каучуков и сырых
резиновых смесей, логическим завершением модельного метода
является способ математического описания, базирующийся на
модели, состоящей из бесконечно большого числа упруго-вязких
элементов, совокупность свойств которых характеризуется
некоторой непрерывной функцией распределения.
Получаемые при этом соотношения в общем аналогичны
приведенным выше (стр. 33), но содержат не зависящее от
времени слагаемое, характеризующее равновесную
составляющую напряжения.
Например, уравнение, применяемое для описания
релаксации напряжения при заданной деформации, имеет вид:
a{t) = о„(е) + є Г Е{х)е~^й- A4)
о
Ранее отмечалось, что физической основой представления о
наборе времен релаксации является общая картина теплового
движения макромолекул, осуществляемого как совокупность
относительно независимых перемещений участков, имеющих
различные размеры и, следовательно, разную подвижность. Пока
еще нет общепризнанной теории, связывающей вид функции
распределения времен релаксации и значений входящих в нее
кинетических констант со структурными характеристиками
резины.
Широкому применению метода релаксационных спектров
препятствует относительная сложность математического
аппарата, применяемого для решения интегральных уравнений типа
A4).
В результате во многих практических случаях, когда
возникает необходимость математического описания релаксационного
процесса при каком-то определенном режиме нагружения,
используют чисто эмпирические уравнения, не претендующие на
универсальность, но хорошо согласующиеся с опытными
данными в некотором ограниченном интервале значений
параметров режима и времен наблюдения.
Так, для описания релаксации напряжения при заданной
деформации применяется простое соотношение:
c(t) = ao-algt A5)
Для описания ползучести (при заданном напряжении, либо
усилии) применяется аналогичное выражение:
<t) = 4 + b\gt A6)
іОоГл. II. Опред. проч. и упруго-релаксац. свойств резины при статик, нагр.
Хотя при пользовании соотношениями A5) либо A6)
обычно не делают различия между физической и химической
релаксациями, практически оба они лучше оправдываются в темпе-
ратурно-временном интервале, соответствующем физической
релаксации.
Для количественного описания химической релаксации
можно использовать упрощенную модель, особенность которой
(рис. 35,е) состоит в том, что ее элемент їіх характеризует не
физическое, а химическое течение.
Если в качестве первого приближения принять, что
химическое течение формально может быть описано, так же как и
физическое, законом Ньютона, то окажется, что модель рис. 35,в
соответствует уравнению Максвелла, которое удобно записать
здесь в форме:
rfs г-. dz . .
где
k' = Т]х/?вэл. A8)
Из A7) следует экспоненциальный закон релаксации
напряжения при є = const:
а = оо-*'< A9)
и закон химического течения при постоянном напряжении
ff = ffo вида:
і
г = г0 -г
Значения ffo и ёо определяются на основе исходного
допущения того, что химическая релаксация развивается после
практического завершения физической. Отсюда следует, что
a0 = aoo=?oos B1)
s° = є~ = ЁГ B2>
Процессы разрыва валентных связей, лежащие в основе
химической релаксации, во многих случаях обусловлены
окислительной деструкцией. Отсюда существенная зависимость
скорости химической релаксации от содержания кислорода в газо-
/. Механическое поведение резин при статическом нагружении 107
вой среде, окружающей образец. В опытах над ненаполненны-
ми резинами из натурального каучука было установлено, что
скорость химической релаксации может быть уменьшена в
тысячу раз при переходе от испытаний в воздушной среде к
испытаниям в среде инертного газа, очищенного от следов
кислорода4.
Испытания на релаксацию и ползучесть при повышенных
температурах применяют поэтому для характеристики
стойкости резины по отношению к кислороду воздуха и, в частности,
для оценки эффективности различных защитных добавок,
вводимых в резину для ее стабилизации.
Следует отметить, что в отличие от физической, химическая
релаксация удовлетворительно описывается экспоненциальным
законом A9).
Константа скорости релаксации k' может быть определена
из наклона экспериментальных кривых в системе координат
t—\na.
Экспоненциальное уравнение
k' = k'oe B3)
передает температурную зависимость k' и позволяет
определить кажущуюся энергию активации процесса химической
релаксации U. Эта энергия, в зависимости от природы каучукового
полимера и характера вулканизационных связей в резине,
принимает значения в пределах 15—30 ккал/моль.
Согласие уравнения A9) с опытными данными по
химической релаксации не дает, к сожалению, оснований для вывода
о применимости уравнения A7) к описанию других режимов
нагружения.
В частности, простой закон химического течения,
описываемый уравнением B0), соблюдается уже гораздо хуже.
Недостаточность уравнения B0) объясняют обычно осложняющим
эффектом рекомбинации свободных радикалов (образующихся
после механического разрыва полимерных цепей), приводящим
к возникновению новых узлов пространственной сетки*.
Надо, однако, иметь в виду еще одно обстоятельство,
вытекающее из сопоставления приведенных выше уравнений
физической релаксации A1) и соответствующей ползучести A2).
Значительно более медленная (по сравнению с релаксацией)
В условиях заданной деформации такого рода эффекты не влияют на
кинетику релаксации напряжения, поскольку вновь образующиеся узлы
оказываются ненапряженными.
108 Гл. II. Опред. проч. и упруго-релаксац. свойств резины при статич. нагр.
кинетика ползучести может явиться причиной затруднений при
попытках изучения химического течения в чистом виде, т. е.
в условиях, когда его протекание не осложнено одновременно
наблюдаемым процессом физической ползучести.
Так или иначе, раздельное изучение физической и
химической релаксации легче, чем ползучести и химического течения.
Несколько замечаний о зависимости релаксационных свойств
резины от ее состава и структуры.
Очевидно, что существенно влиять на закономерности
физической релаксации могут лишь те факторы, которые влияют на
межмолекулярное взаимодействие и подвижность цепей
каучукового полимера. Так, резины на основе полярных каучуков
обладают замедленной релаксацией, по сравнению с резинами из
каучуков неполярных. Мягчители, вводимые в резиновую смееь,
уменьшают взаимодействие между молекулами и ускоряют
релаксацию. Вулканизация влияет на релаксацию, потому что
поперечные связи между молекулами полимера ограничивают
их подвижность. Поскольку, однако, тепловое движение
длинных молекулярных цепей происходит так, что отдельные участки
движутся относительно независимо, вулканизация влияет
только тогда, когда образующаяся сетка вулканизата ограничивает
подвижность этих сегментов5.
Релаксационные свойства резин сильно зависят от
содержания активных наполнителей. Это влияние обусловлено главным
образом сорбцией молекулярных цепей каучукового полимера
на частицах наполнителя. Замедление релаксации,
обусловленное введением активных наполнителей, столь существенно, что
состояние равновесия, соответствующее завершению процесса
физической релаксации в наполненных резинах, вообще не
достигается.
Простейшее объяснение наблюдаемых особенностей
релаксационного поведения наполненных резин заключается в том,
что сорбционное связывание молекул каучукового полимера на
частицах наполнителя приводит к ограничению подвижности
этих молекул и, следовательно, повышению жесткости резины.
Натяжение цепей, возникающее при больших деформациях
образца, нарушает эти сорбционные связи тем в большей
степени, чем больше предварительная деформация.
Прочность
Прочность характеризует способность тела противостоять
разрушающему действию механических напряжений. Она
является основной характеристикой конструкционных
материалов.
/. Механическое поведение резин при статическом погружении 109
Вопрос о разрушающих напряжениях при
сложно-напряженном состоянии резин изучен недостаточно. Принято считать,
что разрушение начинается там, где максимальное значение
имеет нормальное растягивающее напряжение. Отмечено также,
что разрушение чаще всего начинается с поверхности6.
Практически определение прочности резины производится в
условиях простого растяжения, причем в настоящем разделе будут
обсуждаться данные, относящиеся в основном к двум режимам
нагружения: растяжению с постоянной скоростью и
длительному действию некоторого постоянного растягивающего усилия.
Критическое значение напряжения, вызывающего
разрушение, в первом случае называют пределом прочности при
растяжении, во втором — долговременной прочностью.
Предел прочности при растяжении определяется как
отношение разрушающей нагрузки к площади поперечного сечения
недеформированного образца. Весьма важной прочностной
характеристикой является относительное удлинение при разрыве.
Наряду с пределом прочности при растяжении,
применяемым в качестве технической характеристики, в физических
исследованиях широко используется показатель истинной
прочности, представляющий собой отношение разрушающей
нагрузки к действительному значению площади поперечного сечения
деформированного образца в момент разрыва. Площадь эта
определяется расчетным путем на основе предположения о
несжимаемости резины.
Локализация разрыва в том или ином сечении связана с
наличием в образце более или менее значительных структурных
неоднородностей (микродефектов). Неоднородность структуры
неизбежно приводит к неоднородности распределения
напряжений, к концентрации напряжения на микродефектах и, наконец,
к тому, что вблизи какого-то наиболее опасного дефекта
возникает очаг, разрушения, дальнейший рост которого приводит
к разрыву образца.
Таким образом, в процессе растяжения можно выделить три
последовательных стадии: а) нагружение образца, приводящее
к возрастанию внутренних напряжений в нем, до
возникновения очага разрушения, б) возникновение одного или
нескольких очагов разрушения вблизи наиболее опасных дефектов
структуры, в) собственно разрыв, осуществляющийся как
разделение образца на части в результате разрастания очага
разрушения.
Протекание процесса на первой стадии определяется
режимом нагружения и эластическими свойствами образца. Среднее
значение напряжения, соответствующего переходу ко второй
стадии, тем выше, чем более однороден по своей структуре об-
110 Гл. //. Опред. проч. и упруго-релаксац. свойств резины при статич. нагр.
разец (чем меньше в нем опасных дефектов) и чем выше его
теоретическая прочность*.
Особенности протекания процесса на каждой его стадии
весьма существенны для понимания явления и заслуживают
раздельного рассмотрения. Так, для твердых тел в аморфном
и кристаллическом состояниях различают два вида разрыва:
хрупкий и пластический.
При хрупком разрыве деформации, предшествующие
разрыву, невелики и целиком упруги; пластическому разрыву
предшествуют необратимые пластические деформации.
При пластическом разрыве имеет обычно место образование
сужения (шейки), эффективное сечение которого может быть
гораздо меньше первоначального, равно как и расчетного
значения, полученного без учета неоднородности растяжения.
Для полимерных материалов, находящихся в
высокоэластическом состоянии, характерно, что разрыву предшествуют
большие практически полностью обратимые деформации, не
сопровождающиеся образованием шеек.
Таким образом, по протеканию первой стадии процесса
разрыв резины не может быть классифицирован ни как хрупкий,
ни как пластический. Отмеченные выше особенности позволяют
выделить его в особый вид и назвать высокоэластическим
разрывом7.
Для понимания общих особенностей разрыва полимерных
материалов и места, занимаемого высокоэластическим разрывом
в ряду других видов разрушения, целесообразно рассмотреть
особенности поведения резины при температурах, меняющихся
в широком диапазоне. Так, при температурах, значительно
более низких, чем температура стеклования, резина претерпевает
обычный хрупкий разрыв, ничем принципиально не
отличающийся от такого же вида разрушения простых
(низкомолекулярных) тел. При повышении температуры испытания и
приближении ее к температуре стеклования обнаруживается
способность резины к разрыву, внешне схожему с пластическим
разрывом металлов. Разрушению предшествует образование
сильно вытянутой шейки, деформация которой внешне
выглядит как необратимая. Различие между этим видом разрушения
и обычным пластическим разрывом металлов обнаруживается
при нагревании частей разрушенного образца. Деформация
частей металлического образца действительно необратима и
сохраняется при нагревании. При нагревании частей резинового
образца выше температуры стеклования деформация, воспри-
* «Теоретической» здесь и ниже мы будем называть предельное значение
прочности идеального образца, в котором отсутствуют микродефекты,
приводящие к местным концентрациям напряжений.
1. Механическое поведение резин при статическом нагружении 111
Температура -
Рис. 39. Схема, поясняющая
переход полимера от хрупкого (/) к
вынужденно-эластическому (//)
разрушению:
нимавшаяся как остаточная, быстро исчезает, так что
восстанавливается их первоначальная форма.
Способность резины и других полимеров к большим
квазиостаточным, но обратимым (при повышении температуры выше
температуры стеклования Тс)
деформациям была названа
вынужденной эластичностью8.
Объяснение вынужденной
эластичности, впервые данное
А. П. Александровым9, бази-
руется на предположении о за-
висимости периода релаксации
материала от механического
напряжения, обусловленного
приложенной к нему силой.
Критическое напряжение,
вызывающее развитие
вынужденно-эластических
деформаций, называют, по аналогии с
пределом текучести металлов,
пределом вынужденной
эластичности. Наличие
температурной области вынужденно-
эластического разрыва
объясняют различием в
температурной зависимости хрупкой прочности и предела вынужденной
эластичности. Это поясняет рис. 3910.
Как видно из рис. 39, область хрупкого разрыва
соответствует состоянию, когда предел вынужденной эластичности
выше хрупкой прочности.
Область вынужденно-эластического разрыва соответствует
состоянию, при котором предел вынужденной эластичности
ниже хрупкой прочности.
Температура, при которой хрупкая прочность равна пределу
вынужденной эластичности, характеризует переход от
вынужденной эластичности к хрупкому разрыву и может быть
названа температурой хрупкости.
При температуре стеклования предел вынужденной
эластичности становится равным нулю. Это означает, что выше Тс
высокоэластический характер деформации появляется при любых
сколь угодно малых напряжениях. Температура стеклования
разделяет, таким образом, области вынужденно-эластического
и высокоэластического разрывов*.
* Вопрос о переходе от вынужденно-эластического к
высокоэластическому разрыву детально рассмотрен в работе11.
/—хрупкая прочность: 2—предел
вынужденной эластичности; Т —температ>ра
хрупкости; Тс— температура стеклования.
112 Гл. II. О пред. проч. и упруго-релаксрц. свойств резины при статич. нагр.
Дальнейшее повышение температуры в области выше Тс не
изменяет вида разрыва вплоть до температуры, при которой
становится существенным химическое течение. В линейных
полимерах, способных переходить в вязко-текучее состояние,
может иметь место и пластический разрыв, т. е. разрыв, которому
предшествуют истинно остаточные деформации.
Проведенное рассмотрение показывает, что наиболее
характерным видом разрыва резины является высокоэластический,
т. е. разрыв, которому предшествуют большие обратимые
деформации материала и, следовательно, значительная
ориентация его структурных элементов.
Протекание второй стадии разрыва, несомненно, также
существенно зависит от температурных условий и физического
состояния резин.
Происхождение структурных неоднородностей и дефектов,
приводящих к возникновению очагов разрушения, может быть
различным. Они могут быть связаны с неоднородностью
молекулярного строения (например, различной протяженностью
участков молекулярных цепей между узлами пространственной
сетки), с нерегулярностью надмолекулярной структуры (напри-
імер, с наличием областей кристаллического и аморфного
состояния), с негомогенностыо материала, представляющего
собой, как правило, многокомпонентную систему (например, с
наличием относительно крупных включений, обладающих
свойствами, отличными от свойств основного материала). Кроме
того, причиной опасных концентраций напряжений могут быть
часто механические повреждения образца, полученные им при
изготовлении или каким-нибудь иным путем (например,
проколы, царапины, воздушные включения и т. п.). Несмотря на
большое его значение вопрос о природе и происхождении наиболее
опасных дефектов, дающих начало очагам разрушения резины,
пока совершенно не изучен.
Образование очага разрушения в районе наиболее опасной
концентрации напряжений, есть, по существу, наиболее
важный и наименее изученный этап процесса.
Согласно современным представлениям, на этой стадии
весьма существенна роль теплового движения, приводящего к
флуктуации натяжений молекулярных цепей. В области
наиболее опасных концентраций напряжения флуктуации могут
приводить к разрывам тех молекулярных цепей, натяжение
которых, в какой-то момент, оказывается сопоставимым с
прочностью соответствующих химических связей.
Разрыв какой-либо молекулярной цепи увеличивает среднее
натяжение соседних цепей и делает поэтому более вероятным
следующий разрыв, наступление которого связано, опять-таки,
/. Механическое поведение резин при статическом нагружении ИЗ
с тепловыми флуктуациями. Так происходит разрастание
микродефекта и превращение его на определенной стадии в очаг
разрушения.
Поскольку заключительная стадия разрыва, связанная с
прорастанием очага разрушения, наблюдаема, она, естественно,
изучена лучше предыдущей. Существенное значение имеют
результаты исследований, показавшие, что разрастание очага
разрушения, т. е. собственно разрыв, в свою очередь, протекает
в две стадии12.
Первая стадия характеризуется относительно медленным
прорастанием очага разрушения. Образующаяся на первой стадии
поверхность раздела имеет характерную шероховатость.
Вначале медленное прорастание очага разрушения постепенно
ускоряется и в заключительной стадии процесс проходит
практически мгновенно, причем образующаяся поверхность раздела
является, как правило, зеркально гладкой.
Типичный характер поверхности разрыва резины
представлен на рис 40, заимствованном из работы10. Там же показано,
что чем медленнее производится нагружение, или чем дольше
находится образец под действием неизменяющейся нагрузки,
тем больше выражена шероховатая зона разрыва. Наоборот,
чем быстрее нагружение и кратковременней действие нагрузки,
тем большую часть поверхности разрыва занимает зеркальная
зона.
Шероховатость поверхности раздела на первой стадии
разрыва связана, очевидно, с резко неравномерным
распределением напряжений в зоне их наибольших концентраций. Эта
неравномерность приводит к тому, что единичные микроразрывы
не происходят строго в одной плоскости, чему способствуют
также и упрочнения, обусловленные ориентацией
молекулярных цепей, расположенных вблизи вершины растущего
дефекта.
Зеркальная зона соответствует заключительной части
разрыва, протекающей весьма быстро. На этой стадии среднее
напряжение в еще неразрушенной части образца близко к
критическому и поэтому дальнейшее прорастание надрыва уже не
связано с тепловыми флуктуациями.
В настоящее время теория прочности резины еще только
начинает разрабатываться. Как будет ясно из дальнейшего,
представленная здесь общая картина высокоэластического
разрыва позволяет, однако, качественно объяснить многие факты
и закономерности, особенно те, которые характеризуют
зависимость прочности резины от таких параметров режима
испытаний, как скорость деформирования, время воздействия
нагрузки, температура и т. д. Что касается влияния на прочность
8—2406
114/'л. II. Опред. проч. и упру го-ре лаксац. свойств резины при статич. нагр.
размеров и формы образца, то иллюстрируемая рис. 41 общая
зависимость такова: чем меньше испытуемый образец,
тем больше определяемое значение прочности и тем
больше расхождение между результатами параллельных
испытаний.
Форма и размеры практически применяемых образцов
выбраны с учетом многих факторов. Действующие стандарты во
всех случаях предусматривают строгую унификацию размеров
1
Рис. 40. Поверхность
разрыва резинового образца
при растяжении.
/5 го 25 SO S5 4ff 45 50 55
f, к г с/см г
Рис. 41. Кривые распределения прочности,
рассчитанной на начальное сечение, для
образцов резины из СКС-30 различной
толщины (в мм):
/—2; 2—1,2; a—0,4; P (f)—функция распределения,
f—условная прочность.
и сопоставимыми считают только результаты, полученные на
образцах, размеры и форма которых в пределах весьма жестких
лимитов идентичны.
Наблюдаемая зависимость определяемых значений прочности
от размеров испытуемых образцов находит свое объяснение на
основе общих представлений о статистической природе явления.
В самом деле, разрыв носит локальный характер и начинается
вблизи некоторого относительно более опасного дефекта.
Разрыв начнется, очевидно, тем раньше, чем больше в образце
дефектов и чем они опаснее. При прочих равных условиях,
однако, количество дефектов будет расти по мере увеличения
размеров образца. Ясно также, что если имеется какое-то
статистическое распределение дефектов по размерам, то вероятность
появления наибольшего и, следовательно, наиболее опасного
дефекта тем больше, чем больше образец. Отсюда, в
частности, следует, что независимо от механизма разрыва, во всех
случаях, когда разрушение начинается на каких-то заранее
/. Механическое поведение резин при статической нагружении 115
имеющихся дефектах, прочность должна расти с уменьшением
размеров испытуемого образца.
Зависимость определяемого показателя прочности от
формы образца существенна, поскольку форма влияет на характер
распределения напряжений и расположение зоны их наиболее
опасных концентраций.
При испытаниях, имеющих целью определение предела
прочности при растяжении, чаще всего применяются образцы в
форме двусторонних лопаток, разрыв которых происходит, как
правило, на однородно деформируемом рабочем участке.
Однородность деформации рабочего участка и дает, собственно,
формальное право определять предел прочности при растяжении
как отношение растягивающего усилия к площади
поперечного сечения образца в этом участке.
Как известно, однако, наряду с испытаниями на разрыв
однородно напряженных образцов, широкое распространение
получили испытания на так называемый раздир, когда
применяются образцы с искусственно создаваемыми участками
концентрации напряжений.
В общем случае определяемый показатель сопротивления
раздиру зависит от совокупности условий испытания и
механических, в первую очередь прочностных, свойств резины.
Поэтому можно было бы ожидать, что между значениями
показателя сопротивления раздиру разных резин и их пределом
прочности при растяжении будет установлено определенное
соответствие. В действительности, однако, многочисленные
попытки установления такого рода соответствия не дали
положительных результатов. Во многих работах имеются даже
определенные указания на отсутствие такой связи, почему показатель
сопротивления раздиру широко используется технологами как
независимая и весьма важная характеристика
чувствительности резины к концентрации напряжений.
В последнее время были предприняты попытки13 более
детального уяснения физического смысла показателей,
определяемых при испытаниях на раздир. В результате в качестве
объективного критерия сопротивления раздиру было рекомендовано
пользоваться так называемой «характеристической энергией
раздира».
По определению, характеристическая энергия раздира—это
энергия, затрачиваемая на образование единицы свободной
поверхности при раздирании. Эта энергия не равна, однако,
поверхностной энергии, поскольку процесс термодинамически
необратим и большая часть энергии, затрачиваемой на
деформирование резины в вершине растущего надреза, рассеивается в
виде тепла.
116 Гл. //. Опред. проч. и упруго-релаксац. свойств резины при статик, нагр.
Основное соотношение, определяющее физический смысл
характеристической энергии раздира (#), имеет вид:
1 / dW
h \ де
) B4)
где W— работа деформирования тонких образцов толщиной h,
с надрезом длиной с;
L — расстояние между местами закрепления растянутого
образца.
Индекс L при частной производной обозначает, что
последняя характеризует изменение упругой энергии образца при
увеличении длины его надреза на величину de и неизменном
растяжении, определяемом расстоянием между захватами L.
Если представить себе, что в вершине растущего надреза
материал деформирован однородно, то энергия, рассеиваемая
при прорастании надреза на величину de, может быть
приближенно выражена как
W =
где D — эффективный диаметр вершины надреза;
Wo — удельная энергия разрыва.
Рассеиваемая энергия, по определению, равна произведению
характеристической энергии раздира на образующуюся
поверхность, т. е.
= Hkdc
откуда
Я = W0D B5)
Из соотношения следует, что характеристическая энергия
раздира должна быть пропорциональна удельной энергии
разрыва, причем коэффициент пропорциональности определяется
лишь геометрией вершины надреза.
Удельная энергия разрыва Wo определяется из соотношения
разр.
= j /de B6)
и, практически, может быть легко найдена измерением площади
под кривой напряжение (f) —деформация (є).
1. Механическое поведение резин при статическом нагружении 117
В действительности данные сравнительных испытаний
разных резин не подтверждают прямой пропорциональности
между Я и Wo. Обнаруживаемое несоответствие принято, однако,
объяснять тем, что даже на образцах одинаковой формы и
размеров эффективный диаметр вершины надреза D зависит не
только от нанесения первоначального надреза, но и от свойств
испытуемой резины.
Другое объяснение14 основывается на обсуждавшихся .уже
выше следствиях статистической теории прочности.
В самом деле, испытание на раздир обладает той
особенностью, что вследствие искусственно создаваемой концентрации
напряжение всегда локализуется в некотором определенном,
очень малом объеме, расположенном в вершине растущего
надреза. Отсюда следует, что сопоставление результатов
испытаний на раздир и разрыв должно производиться с учетом
существенного различия в размерах деформируемых объемов.
Такой учет приводит к необходимости замены соотношения
B6) выражением
H = DW'a = DKW0 B7)
где Wo—предельное значение удельной энергии разрыва в
образце, объем которого сопоставим с размерами
участка концентрации напряжений в вершине
растущего надреза;
К — коэффициент, который тем больше, чем существеннее
снижение прочности испытуемой резины за счет
наличия в ней случайных дефектов либо структурных
неоднородностей.
Если в качестве первого приближения принять, что
эффективный диаметр вершины надреза зависит только от способа
его нанесения (к не зависит от свойств резины), то из
выражения B7) следует, что
Д
т. е. что отношение характеристической энергии раздира к
удельной энергии разрыва может служить мерой дефектности
либо структурной неоднородности испытуемой резины.
Несопоставимость данных испытаний на раздир и разрыв, в
свете развитых представлений, может быть поэтому объяснена
существенной зависимостью коэффициента неоднородности от
состава и технологии изготовления резины.
118 Гл. II. Опред. проч. и упруго-релаксац. свойств резины при статич. назр.
Принципиальное значение для понимания природы
прочности и механизма разрыва имеет вопрос о зависимости
разрушающего напряжения от временного режима нагружения.
Анализ обширного экспериментального материала по временной
зависимости прочности различных твердых тел15 привел к
представлению о разрыве, как о некотором кинетическом процессе,
скорость протекания которого определяется величиной
приложенного напряжения и температурой. Согласно этим
представлениям, прочность не является некоторой постоянной
материала и разрыв нельзя рассматривать как критическое мгновенно
протекающее событие.
Это, собственно, уже следует из рассмотренной выше общей
картины разрыва, представляемого как процесс разрастания
дефекта, приводящий к возникновению и росту разрушающей
трещины. Лежащие в основе явления разрывы молекул
происходят в результате совместного действия механических
напряжений и дополнительных натяжений, обусловленных тепловым
движением. Отсюда ясно, что разрыв должен происходить тем
быстрее, чем больше приложенное напряжение и чем выше
температура.
Для простейшего случая нагружения неизменяющимся во
времени напряжением было предложено15 эмпирическое
соотношение хорошо оправдавшее себя при проверке на самых
различных материалах (металлы, пластики, органические стекла,
некоторые резины и т. д.):
Up—ya
kT
х = zoe B8)
где -г— время до разрушения, или долговечность;
°— приложенное напряжение;
k — константа Больцмана;
Т—абсолютная температура;
То, Uо и у — константы, физический смысл которых может быть
пояснен следующим образом:
и0 — энергия активации процесса разрыва связей. Для
металлов эта постоянная приблизительно равна
энергии сублимации;
Y — характеризует зависимость эффективной
энергии активации процесса разрушения от
приложенного напряжения; у существенно зависит от
молекулярной и надмолекулярной структуры
материала, а также от концентрации напряжений на
дефектах;
/. Механическое поведение резин при статическом нагружении 119
То — имеет размерность времени и значение, близкое к
периоду собственных колебаний атомов.
Хотя выражение B8) является эмпирическим и при
приближении а к нулю утрачивает физический смысл, так как
долговечность не обращается при этом в бесконечность, а сохраняет
О
4-58
&, кг с/мм2
10
Рис. 42. Зависимость долговечности от напряжения:
1—резина без сажи (буна S); 2—пластик (поливинилхлорид); 3— резина без сажи
(буна N); 4—алюминиевая фольга; 5—органическое стекло; 6— полистирол;
7—целлофан; S—целлулоид; 9—ацетат целлюлозы; 10—нитрат целлюлозы (фотопленка);
'—долговечность; а—напряжение.
некоторое конечное значение, оно оказалось справедливым в
широком диапазоне изменений т. Данные по зависимости
Igt—а для разных полимеров приведены на рис. 42.
Уравнение B8) характеризует кинетику разрыва
материала, объемные свойства которого не зависят от приложенного
напряжения и в процессе разрыва не меняются. Практически
это требование соблюдается не всегда. Так, у некоторых резин
длительное пребывание в напряженном состоянии может
вызвать кристаллизацию. При относительно высокой температуре
нередко имеют место химические изменения, в частности
окисление. Все это ограничивает применимость соотношения B8).
В дальнейшем было показано16'17, что для резин лучшее
согласие с опытом дает соотношение
х = Ао~"
B9)
120 Гл. //. Опред. проч и упруго-релаксац. свойств резины при статич. нагр.
о.
из которого следует линейная зависимость между т и а в
логарифмической системе координат. В соотношении B9) п —
эмпирическая постоянная, значение которой зависит от свойств
резины и выбранной системы единиц измерения.
Соотношение B9) лучше выполняется16, чем B8) в резинах
с относительно слабым межмолекулярным взаимодействием:
при повышенных температурах, относительно небольших
содержаниях активного наполнителя и т. д.
Температурная зависимость
долговечности резин носит экспоненциальный
характер.
На рис. 43 приведены данные
зависимости долговечности резин из бута-
диен-стирольного каучука от
температуры при различных напряжениях18.
Рассмотренные здесь соотношения'
между напряжением и долговечностью
пригодны для непосредственного
описания длительного действия
неизменяющейся во времени нагрузки.
Закономерности, описываемые уравнением
B8) или B9), могут, однако, найти
применение и для характеристики
других, более сложных режимов на-
гружения. Для этого используется
дополнительное предположение19, что при
действии на тело нагрузки,
изменяющейся во времени, средняя
долговечность может быть определена в соответствии с правилом
аддитивности, считая, что в каждый момент скорость разрушения,
характеризуемая соответствующим значением т, определяется
мгновенным значением действующего напряжения.
Если напряжение а действовало в течение времени Д^, то
относительное уменьшение долговечности должно быть равно
At/x. Разрыв, очевидно, наступит тогда, когда сумма
относительных уменьшений долговечности станет равна единице.
Если к образцу последовательно прикладывались разные
напряжения cTj, каждое из которых действовало в течение некоторого
промежутка времени Atit то разрыв происходит при условии:
'2,0 2А 2,8 3.2 3,6
Ю3/Т°к-
Рис. 43. Зависимость
долговечности резин от
температуры при
различных напряжениях (в
кгс/см2):
/—6,3; 2—10; 3—17,8 (резина
на основе СКС-30 с модулем,
равным 3 кгс/смЪ);
т:—долговечность; Г—температура, °К.
C0)
где Тї = т(сГг) есть долговечность, соответствующая
напряжению (Ті.
/. Механическое поведение резин при статическом погружении 121
Если приложенное напряжение изменяется во времени
непрерывно по закону сг=сг(^), то соотношение C0) может быть
записано в интегральной форме: ґ
\Jm = l C1>
где tp— среднее время до разрушения.
Если известна зависимость между напряженим и
долговечностью т(сг), то уравнение C1) позволяет предсказать время
разрыва и действующее в момент разрыва напряжение19. Так,
например, если напряжение в образце возрастает с постоянной
скоростью V/, из уравнения B8) имеем:
fVV=
C2)
, , КГ у
где Vjt = а; А — тое ; а = -^ .
Интегрируя уравнение C2) и имея в виду, что У/Гр = аР)
получаем
еазр — 1 = Aava
и, следовательно,
1п (Ааиа — 1)
~ а
В большинстве случаев произведение /4аиа» 1 и,
следовательно, можно считать, что разрушающее напряжение
приблизительно пропорционально логарифму скорости нагружения.
Практический интерес представляет нагружение при
постоянной скорости деформирования. Для того, чтобы используя
соотношение B8) и C1), рассчитать зависимость между
пределом прочности и скоростью деформирования, нужно знать
аналитическое выражение закона, связывающего напряжение
и деформацию при этом режиме нггружения. В качестве
первого, весьма грубого приближения, можно воспользоваться,
например, соотношением A3) из предыдущего раздела. Более
точное соотношение могло бы быть получено с применением
функции распределения времен релаксации.
122 Гл. II. О пред. проч. и упруго-релаксац. свойств резины при статич. нагр.
Экспериментально было установлено20, что зависимость
предела прочности от скорости растяжения приближенно
описывается соотношением:
az = аг'" C3)
где 0Z. — предел истинной прочности при растяжении;
є — скорость растяжения;
m—безразмерная постоянная;
а — постоянная, размерность которой зависит от значе
ния т.
Универсальный характер зависимости разрушающего
напряжения от времени действия силы и температуры дал основание
для экспериментального исследования вопроса о применимости
к описанию соответствующих зависимостей принципа темпера-
турно-временной суперпозиции (см. раздел 1 главы IV).
Данные, полученные при изучении зависимости предела прочности
при растяжении и удлинении при разрыве от скорости
растяжения и температуры2', не только подтвердили эту возможность, но
даже обнаружили количественное совпадение между
значениями коэффициентов приведения для прочностных и упруго-гисте-
резисных свойств. Это является лишним доказательством того,
что зависимость прочности от времени обусловлена
межмолекулярным взаимодействием и интенсивностью теплового
движения звеньев макромолекул, т. е. теми же факторами,
которыми определяется весь комплекс релаксационно-гистерезисных
свойств полимера*.
Несколько замечаний по поводу зависимости прочности от
свойств исходного полимера и состава резины.
Установлено, что повышение молекулярного веса
каучукового полимера в общем благоприятно сказывается на прочности
резины.
Это влияние, однако, тем менее существенно, чем больше
молекулярный вес и степень вулканизации резины.
Практически оно существенно лишь для слабо вулканизованных ре-
* Надо отметить, что в качественной форме это положение было
сформулировано значительно раньше в работе22.
* *
/ 2МС \
Флори была предложена зависимость Ры — Р ( 1— I, где Ры—
- \ М + Мс /
прочность полимера с молекулярным весом М; Р_—предельное значение
прочности, соответствующее неограниченно возрастающему М; М—молекулярный
вес исходного полимера; Мс—среднее значение массы участка молекулярной
цепи между узлами пространственной сетки.
I. Механическое поведение резин при статическом нагружении 123
Важнейшими факторами прочности являются регулярность
строения полимера и энергия взаимодействия между звеньями
его молекул.
Можно считать установленным, что при прочих равных
условиях каучукоподобные полимеры с относительно высокой
плотностью когезионной энергии22 дают более прочные резины.
Наоборот, уменьшение плотности когезионной энергии, достигаемое,
например, введением мягчителей (пластификаторов), почти
всегда отрицательно сказывается на прочности резины.
Регулярность строения имеет решающее значение при
определении способности полимера кристаллизоваться. Вопрос о
влиянии этой способности на прочностные свойства полимеров
был предметом многих исследований.
Весьма важно, что переход полимера в кристаллическое
состояние существенно облегчается ориентацией молекулярных
цепей при деформации резины. Особо ценные свойства имеют
резины на основе каучуков, которые в нужном интервале
температур аморфны в недеформированном состоянии, но быстро
кристаллизуются в процессе деформации. При обычных
температурах такого рода свойствами обладают, в частности,
натуральный каучук гевеи, бутилкаучук, хлоропреновын каучук, поли-
изопреновый синтетический каучук. Все эти полимеры дают
вулканизаты, обладающие высоким пределом прочности при
растяжении B00—300 кгс/см2) даже в резинах, не содержащих
активных наполнителей. В противоположность этому каучуки,
не способные к кристаллизации (бутадиеновый, бутадиен-
стирольный и т. п.), дают в ненаполненных вулканизатах предел
прочности при растяжении порядка 20—30 кгс/см2.
Одно из наиболее достоверных объяснений положительного
влияния кристаллизации на прочность основывается на
предположении, что образование кристаллов при растяжении
способствует более равномерному распределению натяжений между
молекулярными цепями24.
Принимается, что молекулярная цепь может находиться в
кристаллическом состоянии лишь частью своих звеньев.
Полагают также, что строго упорядоченное расположение части
звеньев цепи, связанное с переходом их в кристаллическое
состояние, изменяет натяжение другой части той же цепи,
находящейся в аморфном состоянии.
Таким образом, вероятность кристаллизации для каждого
участка молекулярной цепи должна зависеть от его натяжения
и, следовательно, при деформации элементарные фазовые
переходы будут происходить преимущественно в тех участках
молекулярных цепей, натяжение которых сильно отличается от
среднего значения, определяемого деформацией образца в целом.
124 Гл. II. Опред. проч. и упруго-релаксац. свойств резины при статич. нагр.
Существенно также и то, что кристаллизация может приводить
к дополнительной ориентации и упрочнению в месте роста
надрыва25.
Введение в резиновые смеси на основе некристаллизующих-
ся каучуков активных наполнителей (высокодисперсные сажи)
резко повышает прочность вулканизатов, доводя ее до уровня
прочности резин из кристаллизующихся каучуков. Отсюда
возникло предположение, что механизм упрочнения резины
активными наполнителями сходен с рассмотренным влиянием
кристаллизации.
Общепризнанной теории усиливающего действия активных
наполнителей пока нет. Наиболее достоверно, однако,
объяснение, основывающееся на том, что процессы сорбции и десорбции
звеньев макромолекул на частицах активного наполнителя
могут оказывать на распределение натяжений молекулярных
цепей такое же влияние, как элементарные акты кристаллизации
и плавления. В согласии с этой трактовкой находится и тот
факт, что введение активных наполнителей, повышая прочность
резин из некристяллизующихся каучуков в десятки раз, мало
влияет на прочность резин из каучуков, способных к
кристаллизации. Последнее, однако, справедливо лишь в той области
температур, в которой способность к кристаллизации
проявляется достаточно полно. При более высоких температурах
активные наполнители в равной мере положительно влияют на
прочность резин как из некристаллизующихся, так и из
кристаллизующихся каучуков. Во всех случаях, поэтому, введение
активных наполнителей в резину является действенным
средством повышения ее теплостойкости.
2. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ИСПЫТАНИИ НА ПРОЧНОСТНЫЕ
И УПРУГО-РЕЛАКСАЦИОННЫЕ СВОЙСТВА
Для определения характеристик упругих, релаксационных и
прочностных свойств, рассмотренных в разделе 1 данной главы,
наиболее широкое распространение получили испытания
резины на растяжение с примерно постоянной и относительно
небольшой скоростью деформации (-—' 15% в сек). Практическое
применение этого режима деформации при массовых
испытаниях объясняется рядом причин.
Прежде всего, подобное испытание позволяет достаточно
быстро и надежно оценить упруго-релаксационные свойства
(снимая зависимость напряжение — удлинение), определить
прочностные характеристики (находя предельное напряжение и
относительное удлинение при разрыве) и остаточную деформацию
разрушенных образцов. Добиться разрушения резинового об-
2. Характеристика испытаний на прочн. и упруго-релаксац свойства. 125
разца при другом виде однократного нагружения, в частности
сжатии, сдвиге, кручении, изгибе, значительно труднее. При
таких видах нагружения нельзя реализовать большие
однородные деформации, заготовить образцы воспроизводимых
размеров и точно измерить их как до, так и іво время деформации,
трудно закрепить образцы в приборе.
Кроме того, требуется изготовление массивных образцов,
что связано с повышением расхода испытуемого материала. При
проведении испытаний на температуростойкость в случае
массивных образцов необходимо длительное время для достижения
равновесной температуры; за это время материал может
необратимо изменить свои свойства.
При испытании на растяжение применяются сравнительно
тонкие и быстро прогревающиеся или промораживающиеся
образцы. В этих случаях можно выбрать образцы такой формы,
что в результате на них легко выделить однородно
растягиваемый участок, измерить деформации на этом участке и
рассчитать истинные напряжения.
Конкретные особенности каждого из видов испытаний,
которые должны быть рассмотрены в этом разделе, будут
указаны при описании соответствующих методов.
Однако, характеризуя общее состояние в области
статических испытаний резины, необходимо отметить общую
тенденцию проведения измерений в сравнительно короткие сроки; при
этом получаются неравновесные характеристики материала, так
как для достижения равновесия в резинах необходимы большие
времена. Тем не менее эта тенденция оправдана не только для
массовых испытаний, но и для исследовательских работ.
Снятие равновесных характеристик сопряжено с рядом
неудобств, основным из которых является большая затрата
времени, поэтому, например, определение равновесного модуля
пока не нашло широкого применения.
Более перспективным представляется расширение пределов
измерений неравновесных свойств по температурам и скоростям
испытаний с тем, чтобы получить сведения о равновесных
характеристиках, пользуясь соответствующими теоретическими
зависимостями.
Основные виды статических испытаний производятся на так
называемых разрывных машинах. Ниже будут рассмотрены
испытания на растяжение и разрыв, сжатие, раздир, гистерезис-
ные свойства при повторных циклах растяжения-сокращения,
теплостойкость и другие. Помимо этого, на разрывных машинах,
пользуясь несложными приспособлениями, можно производить
изгиб, расслоение, продавливание резиновых образцов,
выдергивание из них завулканизованных п оволок, нитей и т. п.
126Гл. II. Опред. проч. и упруго-релаксац. свойств резины при статич. нагр.
На разрывных машинах производят испытания резин до и
после старения, утомления, устанавливая степень изменения
материала в этих процессах. В главе VI описаны испытания на
прочность связи резины с резиной и резины с другими
материалами, в главе IX — определение коэффициента трения; для этих
целей также используются разрывные машины, как и для
целого ряда специальных испытаний, не рассматриваемых в
настоящей книге:
1) определение коэффициентов стойкости резины к
набуханию в жидкостях (кислотах, маслах, щелочах и пр.) —по
изменению показателя «произведения упругости»
К = —
где г и z— соответственно произведения упругости при
разрыве после набухания в жидкости и до набуха-
(, fzz fz-'-z
НИН
f'z и /z— пределы прочности при растяжении;
t'z и ez— относительные удлинения при разрыве (ГОСТ
424—41);
2) испытания эбонита: на изгиб, согласно ГОСТ 255-41, и
на срез, согласно ГОСТ 211—41; испытания эбонита при
повышенных температурах26;
3) испытание губчатой резины . на сопротивление сжатию
(ГОСТ 419—63) и т. п.
Наконец, разрывные машины могут быть применены для
испытания на растяжение образцов, заготовленных из каучукоп
и резиновых смесей.
Поскольку разрывные машины являются основным и
наиболее универсальным оборудованием лаборатории механических
испытаний, их описанию посвящен самостоятельный раздел.
В нем освещаются конструктивные особенности, общие для
целого ряда испытательных машин и приборов, применяемых для
резины. Они связаны со спецификой механических свойств, как-
то: необходимостью измерений сравнительно малых нагрузок и
больших деформаций, строгого учета времен и скоростей на-
гружения, поддержания равномерного распределения
температур в термостатах сравнительно больших объемов, а также с
особенностями крепления образцов при испытании.
По существу, способы измерения нагрузок и деформаций,
задания скоростей деформаций и их поддержания, термостати-
рования, автоматизации испытаний в той или иной мере отно-
3. Устройство разрывных машин 127
сятся к большинству машин и приборов, вследствие чего в
дальнейшем эти способы уже не будут рассматриваться так
подробно.
Особенности заготовки образцов для испытания, которым
посвящен раздел 4 этой главы, тоже в значительной степени
касаются и всех других видов механических испытаний резины,
описываемых в главах III—IX.
Вследствие указанных причин, разделы 3 и 4 настоящей
главы могут рассматриваться как вводные ко всем
последующим главам.
3. УСТРОЙСТВО РАЗРЫВНЫХ МАШИН
В настоящее время имеется большое число разнообразных
типов и моделей разрывных машин. Конструкции их
непрерывно совершенствуются. В качестве основных достижений
модернизации разрывных машин следует отметить:
1) применение практически "безынерционных и бесфрикцион-
ных электронных силоизмерителей; благодаря этому
расширяются пределы, увеличивается точность и гарантируется
правильное отображение колебаний измеряемых нагрузок;
2) введение автоматического замера удлинений,
облегчающее и уточняющее работу, способствующее наиболее
рациональному термостатированию машин и дающее возможность
испытания при различных температурах;
3) расширение температурных и скоростных интервалов
измерения.
Разрывные машины состоят из следующих узлов:
1. Зажимы и приспособления для крепления образцов.
2. Механизм, производящий деформацию образца (привод
и пе.редаточно-преобразовательные узлы).
3. Силоизмерительная часть, или динамометр.
%. Узел измерения деформации.
Кроме этих основных узлов, имеются вспомогательные
детали и приспособления, обеспечивающие удобство, надежность
и безопасность работы машин.
Для проведения испытаний при различных температурах
машины термосіатируются.
Один из вариантов разрывной машины схематически
изображен на рис. 44.
Образец 2 закрепляется в верхнем 3 и нижнем / зажимах.
Зажим / от привода поступательно движется вниз с заданной
скоростью, при этом образец растягивается. Возникающее в
образце усилие уравновешивается и измеряется силоизмеритель-
ным механизмом, связанным с верхним зажимом (в данном
.29
UO'39'зв 37 36 35
Рис. 44. Принципиальная схема разрывной
машины с маятниковым силоизмерителем:
/—нижний зажим; г—образец; 3—верхний зажим; 4—
цепь; 5—коррекционный кулачок: б—ролик; 7, 22—грузик;
в—маятник: 9—сменный груз; 10—собачки: Л—храповые
зубцы; 12—дуговая шкала: 13, 21, 25—блоки; 14—ручные
индексы: 15—трос; 16—валик; 17—каретка пера самописца;
18—перо самописца; 19—диаграммная бумага;
20—шестеренка; 23, 24—ниіи; 26— зубчатая рейка;
27—миллиметровая линейка: 28—траверса; 29, 30, 32—звездочки: 31—
цепь Галля; 33—сцепная муфта; 34, 35, 37, 38, 47, 49—
шестерни; 36, 39, 48—горизонтальный вал; 40, 45—чер
вячный редуктор; 41, 44—шкивы; 42—электродвигатель;
43—ремень; 46—червячный вал; 50—ножная педаль.
3. Устройство разрывных машин
129
случае уравновешивание производится подъемом маятника 8
силоизмерителя).
Деформация образца регистрируется либо по изменению
расстояния между нанесенными на нем метками, либо по
относительному смещению верхнего и нижнего зажимов.
Динамометры (силоизмерительные механизмы)
Вплоть до последних лет в разрывных машинах применялись
главным образом маятниковые силоизмерители. Различные
конструкции разрывных машин с маятниковыми силоизмерителями
подробно описаны Г. Ш. Израелитом27.
Рис. 45. Схематическое изображение силоизмерителей
различных типов:
а—маятниковый; б—в виде спиральной упругой пружины; в—в виде
плоской упругой пружины на двух опорах; г—в виде плоской упругой
консольно закрепленной пружины; б—в виде неравноплечего рычага;
с—в виде упругого кольца; М—маятник; р—вес маятника; а—угол
подъема маятника; /—длина маятника; 1\ и /г—длины плеч рычага;
R—радиус ролика; Q—измеряемая сила; <Ji—уравновешивающая сила;
Л—опора; А\—неподвижное крепление конца пружины; Б—пружина; Б\—
кольцо; С—индикатор; 3— зеркало; И—источник света; Л—луч света; Ш—
шкала.
Принцип действия маятниковых динамометров очевиден из
схемы, показанной на рис. 45,а. Сила Q, растягивающая
образец, создает относительно оси вращения маятника М момент,
равный QR. Здесь R — радиус ролика 6 (см. рис. 44), на
котором с помощью цепи 4 (троса, ленты) подвешен верхний зажим
образца. Маятник весом р (рис. 45,а) отклоняется при этом на
9—2406
130 Гл. //. Опред. проч. и уппуго-релак^ц. свойств резины при статич, нагр.
угол а, создавая уравновешивающий момент pi ¦ sina. Таким
образом, по углу отклонения маятника можно судить о силе Q,
действующей на образец: Q= (pl-s'ma)/R. Обычно измерения
производят по положению указательной стрелки, находящейся
на конце маятника, относительно дуговой шкалы; последнюю
градуируют в величинах нагрузки; поэтому для каждого
определенного веса маятника р имеется своя шкала.
Маятниковые силоизмерители (см. рис. 44) снабжаются
набором сменных грузов 9 и соответствующими шкалами 12,
рассчитанными на разные пределы измерений.
Над дуговыми шкалами 12 имеются храповые зубцы И, в
которые упирается система собачек 10, закрепленных на оси
рядом с указательной стрелкой маятника. Собачки легко
проскальзывают по зубцам, не препятствуя поднятию маятника, но
не позволяют ему опускаться при снижении нагрузки, что
предотвращает падение маятника при разрыве образца. При
необходимости фиксировать колебания нагрузок собачки должны
быть подняты.
Естественно, что при резких изменениях нагрузок во
времени или колебаниях по величине существенно сказывается
инерция маятника, и маятниковый силоизмеритель не отражает их
истинных значений, поскольку не успевает установиться
равновесие между моментом маятника и моментом силы,
действующей на образец.
Недостатком маятникового силоизмерителя является также
наличие трения в оси маятника.
Обычно маятники подвешиваются на шариковых
подшипниках или на призмах. Последние дают меньшее трение, но
быстрее изнашиваются и требуют большей осторожности в
работе.
Дуговая шкала маятникового силоизмерителя
неравномерна по нагрузке. Храповые зубцы имеют определенный шаг. Все
это снижает точность измерения нагрузки, фиксируемой при
разрыве, и затрудняет проведение испытания.
Несложными передаточными устройствами можно
преобразовать поднятие маятника во вращательное движение стрелки
круглой (циферблатной) шкалы таким образом, что последняя
окажется равномерной по нагрузке.
Для более точного отсчета нагрузки по шкале при наличии
резких колебаний применяются две стрелки — ведущая и
ведомая. Последняя увлекается поводком ведущей стрелки. При
снижении нагрузок или возвращении ведущей стрелки,
движущейся вслед за маятником, в исходное положение на нуль
шкалы (снятие нагрузки) ведомая стрелка остается на делении,
отвечающем максимальному отклонению маятника.
3. Устройство разрывных машин 131
В силоизмерителях с круглыми шкалами не применяется
система собачки — храповые зубцы, а удары маятника при его
падении гасятся масляным демпфером.
Маятниковые силоизмерители чрезвычайно просты в
работе, однако, помимо указанных недостатков (влияние инерции
и трения), неудобны из-за их громоздкости и требуют строго-
вертикальной установки машины. Большим недостатком этого
типа измерителей является опускание верхнего зажима,
вызываемое подъемом маятника [вращением ролика 6 (см. рис. 44),
сидящего на оси маятника]. Это связано, с необходимостью
применения корректировочного устройства при записи
диаграммы нагрузка — удлинение с помощью самопищущего
приспособления. Опускание верхнего зажима изменяет скорость
деформирования при заданной скорости движения нижнего зажима,
причем различно для разных резин.
Другие типы силоизмерителей схематически изображены на
том же рис. 45.
Спиральная, плоская и кольцевая пружины в пределах
упругости деформируются пропорционально величине
действующей нагрузки.
Деформации упругих элементов в виде плоской или
кольцевой пружины сравнительно малы. Измерение их
индикаторным микрометром имеет органиченную точность. Применение
же оптической измерительной системы требует затемнения
помещения, сопряжено с необходимостью применения больших
расстояний. Настройка оптической системы часто сбивается.
В настоящее время приобрело большое значение измерение
деформации упругого элемента с помощью электронной
аппаратуры.
В этом случае упругий элемент является частью
электрического датчика, преобразующего измеряемую величину
механического усилия в электрическое напряжение.
Деформация упругих элементов датчика определяется мо-
дулем упругости материала, из которого они изготовлены,
формой и геометрическими размерами, а также зависит от способа
закрепления упругого элемента. В большинстве случаев
применяются сменные датчики, рассчитанные на разные области на-
гружения. Это достигается, например, изменением толщины
плоской пружины, расстояния от места закрепления (опоры)
до места приложения нагрузки и т. п.
В последнее время разработаны конструкции упругих
элементов, рассчитанные на большой диапазон обратимых
деформаций при одинаковой чувствительности в различных пределах.
На рис. 46 изображен упругий элемент28 в виде двух колец с
наружным октаэдр ическим контуром, соединенных узкой.
а*
132 Гл. II. Опред. проч. и упруго-релаксцц. свойств резины при статич. нагр.
щелью. Деформация его линейна относительно нагрузки и
менее зависит от способа закрепления упругого элемента, чем в
случае симметрично или консольно закрепленной плоской
пружины.
Предложен также ряд конструкций сдвоенных пружин29,
жесткость которых повышается с увеличением действующих
нагрузок. Такие пружины необходимы при измерении усилий,
изменяющихся по величине в широком интервале, охватывающем
несколько порядков.
На рис. 47 показаны
сдвоенные кольца.
Рис. 46. Упругий элемент индуктивного
датчика, применяемый в электронных
разрывных машинах.
Рис. 47. Упругий
элемент в виде
сдвоенных колец, с
жесткостью, возрастающей
при увеличении
измеряемой нагрузки:
/—наружное кольцо; 2—
внутреннее кольцо; 3—цн-
линдр; Р—нагрузка.
При малых нагрузках
сжимается только наружное кольцо /.
Когда нагрузки существенно возрастут,
между наружным /
(деформированным) и внутренним 2 кольцом посредством промежуточного
цилиндра 3 осуществляется контакт и начинают
деформироваться оба кольца.
Смещение упругого элемента вследствие деформации,
вызванной деформацией образца, может замыкать контакты
электрической цепи, включающие электрические сопротивления
(контактные преобразователи). Оно может быть также связано с
перемещением движка реостата, изменяющим сопротивление
последнего (реостатные преобразователи), с перемещением
сердечника электрической катушки или изменением воздушного
зазора между катушкой и сердечником (индуктивные
преобразователи). То же смещение может менять расстояние между
обкладками конденсатора или площадь обкладок, вызывая
соответствующее изменение электрической емкости (емкостные пре-
3. Устройство разрывных машин 133
образователи), либо менять интенсивность светового потока,
вызывающего фототок (фотоэлектрические преобразователи)
и т. п.30-31.
Имеются также преобразователи, в которых используется
непосредственное воздействие механического усилия (без
промежуточного упругого элемента). Например, в
пьезоэлектрических преобразователях или сегнетоэлектриках при
механических напряжениях на поверхности возникают электрические
заряды, поляризующие сегнетоэлектрик.
Наибольшее распространение в разрывных машинах с
электронными силоизмерителями нашли индуктивные, емкостные и
проволочные (активного сопротивления) датчики.
Проволочные преобразователи (рис. 48) состоят из тонкой
проволоки высокого удельного сопротивления, приклеенной с
двух сторон к бумаге и имеющей выводные проводники из
медной фольги. Они приклеиваются к поверхности упругого
элемента особыми клеящими составами так, что проволока
воспринимает деформации упругого элемента, вследствие чего
изменяется ее сопротивление. Зависимость между относительной
деформацией А/// упругого элемента и изменением AR
сопротивления R проволоки практически линейна:
Для повышения чувствительности преобразователя важно
выбирать проволоку с большими значениями К, с высоким
удельным сопротивлением (что позволяет уменьшить площадь,
занимаемую решеткой проволоки), с минимальным
температурным коэффициентом сопротивления. Нагрев проволоки может
вызвать изменения ее сопротивления, сопоставимые с
изменениями от измеряемой деформации. Обычно для максимально
возможного устранения температурных влияний в
измерительную мостовую схему (рис. 49) вводят дополнительное
(компенсационное) сопротивление /, равное по величине сопротивлению
проволочного датчика 2. Датчик включается в одно из плечей
моста, а компенсационное сопротивление — в другое. Подбором
электрических характеристик элементов моста*, питаемого от
источника тока 10, с помощью контролирующего
приспособления 3 в диагонали моста устанавливается равновесие.
При деформации упругого элемента электрические
характеристики датчика изменяются; это нарушает равновесие моста
(вызывает разбаланс). В диагонали моста появляется напря-
——^___
В данном случае—сопротивлений.
134 Гл. П. Опред. проч. и упруго-релаксщ. свойств резины при столиц, нагр.
жение, пропорциональное действующему на резиновый
образец механическому усилию.
Если применяются индуктивные или емкостные датчики,
зависимость между изменением их электрических характеристик и
измеряемым механическим усилием нелинейна. На практике
выбираются малые линейные участки. Пределы измерения
расширяют благодаря применению дифференциальных преобразо-
лоа-а вателей. Последние состоят из двух
симметрично расположенных
(относительно смещаемого сердечника)
бумага
Выбоды
Рис. 48. Схема
проволочного преобразователя
тензодатчика.
Рис. 49. Основные узлы электронного сило-
измерителя с источником питания в виде
ламповового генератора (машина Инстрона):
/—компенсационное сопротивление; 2—тензодатчик;
3—контроль равновесия измерительного моста; 4, 6—
каскады усилителя; 5—аттенюатор; 7—фазовый
дискриминатор; Я—регистрирующий прибор;
9—стабилизатор; 10—ламповый генератор.
катушек одинакового
сопротивления (либо двух
конденсаторов
одинаковой емкости, имеющих одну общую смещаемую
пропорционально измеряемому усилию обкладку). При смещении сердечника
(обкладки) дифференциального преобразователя получается
удвоенное (по сравнению с обычным преобразователем)
изменение его характеристик. Дифференциальные преобразователи
удобны тем, что внешние влияния (колебания температуры,
влажности, величины и частоты напряжения источника питания)
сводятся к минимуму путем включения датчика в оба плеча
измерительного моста по компенсационной схеме.
Выбор типа силоизмерителя производится с учетом
следующих требований.,-Силоизмеритель должен быть предельно
чувствителен к колебаниям измеряемой величины, безынерционен,
давать минимальные погрешности, иметь линейную шкалу
измерений. Обычно сигналы, получаемые с моста, настолько малы,
чтс требуется их усиление, особенно в случае проволочных и ем-
3. Устройство разрывных машин 135
костных преобразователей. Усилитель может состоять из
нескольких каскадов D, 6 на рис. 49).
Пределы усиления, в зависимости от измеряемой величины,
могут выбираться с помощью специально калиброванного
приспособления 5 (например, аттенюатора).
Выходной каскад усилителя соединен с самопишущим (и
одновременно указывающим) приспособлением 8 либо с
осциллографом.
Выбор конструкции датчика, схемы измерительного моста,
источника питания, усилителя и регистрирующего прибора
существенно зависит от характера измеряемых усилий.
При измерении переменных во времени механических
величин важно, чтобы частота собственных колебаний
преобразователя была значительно выше частоты (скорости изменения)
измеряемого усилия. Частота собственных колебаний
преобразователя определяется его конструкцией, массой и модулем
упругого элемента. Частота индуктивных и емкостных
преобразователей, в которых измеряемая механическая величина
непосредственно воздействует на расстояние между двумя
элементами преобразователя, не может превышать 700—1000 гц.
Частота упругого элемента датчика (а, следовательно, и
наклеиваемого на него проволочного преобразователя) не выше
нескольких тысяч герц. Наибольшая частота достигается при
использовании магнитоупругих и пьезоэлектрических
преобразователей.
Инерционность элементов измерительного моста и усилителя
невелика по сравнению с инерционностью регистрирующего
устройства. Наиболее инерционные регистрирующие приборы—
самописцы. Запись пером можно использовать лишь до частот
измеряемой величины, не превышающих 1 —1,5 гц. Для записи
быстроизменяющихся величин (до 500—1000 гц) используются
вибраторы шлейфового осциллографа, а для наблюдения более
высоких частот — электронные осциллографы.
Индуктивные и емкостные преобразователи питаются
только от источника переменного тока. Преобразователи активного
сопротивления могут питаться как постоянным, так и
переменным током.
Постоянный ток обычно получается путем выпрямления
переменного тока сети. Если цепь работает в неравновесном
режиме, измеряя нестационарное напряжение, необходимо
постоянство величины питающего напряжения. При питании от
сети переменного тока нужны стабилизаторы напряжения.
При измерении быстропеременных величин частота питания
должна быть в 6—10 раз выше частоты измеряемого
процесса. Питание в этих случаях может производиться от ламповых
136 Гл. //. Опред. проч. и упруго-релаксрц. свойств резины при статич. нагр.
генератороз {10 на рис. 49), работа которых стабилизуется
стабилизатором 9.
Типы усилителей также зависят от того, работает ли цепь в
равновесном или в неравновесном режиме. На зыходе
усилителя должна быть мощность, достаточная для работы
кинематических узлов самописца.
Когда мост питается переменным током, под воздействием
измеряемой величины происходит изменение амплитуды,
частоты или фазы питающего тока (тока несущей частоты),
называемое модуляцией. Так как силоизмеритель, в конечном
итоге, должен выделить и записать кривую изменения
измеряемой (модулирующей) величины, то после модуляции
необходима демодуляция. Несмотря на большую точность частотной
и фазовой модуляции, из-за сложности применяемых при этом
схем, получила распространение амплитудная модуляция. При
последней в качестзе демодулятора используются
выпрямительные схемы, задерживающие несущие колебания
G—выпрямитель на рис. 49).
Показывающий или пишущий прибор 5 дает величину
измеряемого механического усилия.
В ряде электронных разрывных машин имеется специальное
переменное сопротивление, которое калибровано и выбирается
в зависимости от начальной толщины испытуемого
стандартного образца; в результате получается непосредственный
отсчет нагрузки на единицу площади начального сечения
образца32.
Преимущества электронных силоизмерителей заключаются
в следующем31:
1. Деформация упругого элемента датчика происходит
практически мгновенно. Инерционность электронного силоизмери-
теля определяется главным образом его регистрирующим
(пишущим или указывающим) устройством. Выбирая самописцы,
перо которых проходит полную шкалу в 1 сек независимо от
пределов измеряемых напряжений, можно считать, что при
обычно применяемых скоростях растяжения до 3000 м/мин
E0 мм/сек) электронные силоизмерители практически
безынерционны.
При более высоких скоростях или быстропеременных
нагрузках компенсационные (механические) самописцы заменяются
осциллографами.
2. Измерения характеризуются высокой точностью.
3. На разрывной машине с маятниковым силоизмерителем
можно обеспечить диапазон измеряемых нагрузок в отношении
максимум 1 : 16; с электронным силоизмерителем отношение
этих пределов доходит до 1 : 100 и более.
3. Устройство разрывных машин 137
4. Деформация упругого элемента пренебрежимо мала по
сравнению с вызванной той же нагрузкой деформацией
резинового образца. Происходящее вследствие этой деформации
смещение зажима, связанного с силоизмерителем, поэтому
можно не принимать во внимание, считая с достаточной степенью
точности, что деформация определяется положением
подвижного зажима.
5. Поскольку смещения зажима, связанного с
силоизмерителем, ничтожны, скорость деформации не изменяется и при
резких колебаниях нагрузки.
6. По сравнению с маятниковыми динамометрами
электронные силоизмерители следует считать также малофрикционными
(бестрениевыми).
7. С применением электронных силоизмерителей облегчается
автоматизация измерения усилий, поскольку запись
производится тем же устройством, которое является указывающим.
Наряду с существенными преимуществами, электронные
силоизмерители имеют также ряд недостатков:
1. Срок службы электронных ламп ограничен.
2. Характеристики ламп и других элементов недостаточно
стабильны (меняются во времени).
3. Результаты измерения зависят от влияния внешних
факторов: колебаний питающего напряжения, температуры,
влажности, посторонних электрических полей и т. д.
4. Линейность характеристик упругих элементов достигается
в пределах небольших деформаций и может искажаться при
неправильном выборе способа их крепления.
Усталостные явления ограничивают срок службы упругих
элементов.
Для стабилизации работы электронных силоизмерителей
применяются различные способы: работа усилителей
стабилизуется применением обратной связи; вследствие нестабильности
усиления малых напряжений постоянного тока (медленное
изменение постоянной составляющей выходного напряжения
усилителя со временем при неизменном входном напряжении, или
«дрейф нуля») применяется усиление с преобразованием
постоянного напряжения в переменное и усиление с помощью
усилителя переменного тока; изменение характеристик
элемента датчика при изменении температуры помещения
исключается термостатированием датчика; применением компенсационной
измерительной схемы; для уменьшения искажающего влияния
способа закрепления упругих элементов подбираются
специальные конструкции опор и т. д.
Экспериментальные работы28'33-38 по сравнению данных,
полученных на разрывных машинах с маятниковыми и электрон-
138 Гл. П. Опред. проч. и упруго-релаксац. свойств резины при статич. нагр.
ными силоизмерителями, показали преимущества электронных
силоизмерителей при испытании с колеблющимися нагрузками,
большую их чувствительность.
Помимо применения в электронных силоизмерителях,
упругие элементы как малоинерционные находят распространение
и в других схемах. Недавно в ГДР запатентован39 торсионный
силоизмеритель, действие которого основано на закручивании
упругого стержня. Являясь, по существу, безынерционным,
следующим за быстрыми изменениями нагрузки, торсионный
силоизмеритель, в отличие от электронного, характеризуется более
высокой стабильностью работы.
На рис. 50 показана схема действия торсионного силоизме-
рителя с гидравлической системой. Крутящий момент на оси
упругого стержня 1, закрепленного одним концом, создается
усилием, передаваемым от деформированного образца через
поршень одного из цилиндров 3, заполненных маслом. Цилиндр
выбирается в зависимости от усилия в образце таким образом,
чтобы крутящий момент, создаваемый на оси стержня
давлением в цилиндре, при разных пределах измерения был
примерно одинаковым. Величина крутящего момента задается так,
чтобы он был намного больше момента трения в опорах
стержня, но не вызывал больших деформаций, выходящих за
пределы упругости и связанных с заметным смещением поршней
цилиндров. Меняя диаметры цилиндров, можно пользоваться
торсионным динамометром для более широких пределов измерения
нагрузок, чем маятником со сменными грузами.
Недостатки приведенной схемы заключаются в большей, по
сравнению с электронной системой, инерционности
гидравлической системы и меньшей чувствительности индикатора
закручивания стержня (по-видимому, из-за системы механических
передач, всегда обладающей некоторыми люфтами и трением).
Эти недостатки исключены в другом патенте ГДР39 на
торсионный силоизмеритель с электронным индикатором (рис. 51).
Растягивающее образец усилие Р действует на рычаг 1,
вызывая закручивание связанного с ним стержня 2 и
одновременно изменяя емкость дифференциального конденсатора 3.
Возникающее при этом напряжение через усилитель 4 передается
на задающую обмотку 5 электродвигателя 6. Реактивный
момент последнего уравновешивает крутящий момент на оси
стержня 2, возвращая последний в исходное положение. Такая
схема действия силоизмерителя называется компенсационной.
Электродвигатель одновременно приводит в действие стрелку
шкалы нагрузок 7, самопишущий прибор и автоматический
интегратор. Последний дает непосредственно значения работы
деформирования образца, интегрируя автоматически площадь
3. Устройство разрывных машин
139
кривой нагрузка—смещение подвижного зажима, что легко
осуществить при постоянной скорости смещения.
В отличие от электронных силоизмерителей, нестабильность
работы усилителя не сказывается на результатах измерения.
Деформации стержня 2 малы, они непрерывно компенсируются,
и Мгновенные смещения рычага / не превышают 0,1 мм.
Поэтому связанный с ним зажим образца можно считать практически
неподвижным В зависимости от жесткости стержня и степени
Рис. 50. Торсионный снлоизме-
ритель с гидравлической
системой:
/—закручиваемый упругий стержень;
2—неподвижное крепление; 3—гидрав-
лнческне поршневые цилиндры; 4—
демпфер; В—самопишущая система;
б—шкала нагрузок.
Рис. 51. Торсионный силоизме-
ритель с электронным
индикатором:
/—рычаг; 2—закручиваемый упругий
стержень; 3—дифференциальный
конденсатор; 4—усилитель; 5—обмотка
электродвигателя Феррариса;
6—электродвигатель; 7—шкала нагрузок; Р—
измеряемое усилие.
усиления можно измерять различные пределы нагрузок,
используя торсионный силоизмеритель как в разрывных машинах для
металл9в, так и для резиновых образцов.
Более подробных сведений о работе торсионных
силоизмерителей в литературных источниках не имеется. В отечественной
резиновой промышленности торсионные силоизмерители
начинают находить применение.
Зажимы и приспособления для крепления образцов
Резиновые образцы удерживаются в зажимах за счет
трения. При недостаточных силах сцепления и больших нагрузках
они могут выскальзывать из зажимов, что приводит к
изменению как степени, так и скорости деформации и в случае нерав-
140 Гл. П. Опред. проч. и упруго-релаксац. свойств резины при статич. нагр.
номерного выскальзывания вызывает перекосы образца,
искажая его деформацию.
Сильное затягивание образца в зажимах может привести
к местному ослаблению образца и так называемому
«перекусыванию» (разрушению у зажима).
Трение в губках зажимов или на
опорных площадках повышается за счет их
рифления. При испытании на растяжение при-
4-
Рис. 52. Кольцевой
образец на роликах:
/—образец; 2—верхний
ролик; 3—нижний ролик:
4—зубчатая рейка;
5—шестеренка.
Рис. 53.
Винтовые зажимы для
образцов:
Л 2—зажимы; 3—
винты, 4—образец.
Рис. 54.
Эксцентриковые зажимы
для образцов:
/—эксцентрик; 2—обра-
меняются уширенные к концам образцы в виде двусторонних
лопаток. Это позволяет уменьшить как чрезмерное поджатие
образцов в зажимах, так и их выползание из зажимов во
время растяжения.
Согласно немецким стандартам40, для исключения
выползания из зажимов при растяжении пользуются кольцевыми
образцами, надевая их на ролики (рис. 52).
Такое испытание нельзя признать удовлетворительным, так
как растяжение колец вследствие трения на поверхности
роликов происходит неравномерно. Применение принудительного
врашения роликов, осуществляемого через зубчатую передачу
зубчатая рейка 4—шестеренки 5, одна из которых сидит на оси
ролика 3, способствует смене участков кольцевого образца,
прилегающих к поверхности роликов, но не исключает неоднород-
3. Устройство разрывных машин
141
ности растяжения. Основная причина неоднородности
деформации образцов связана с их заготовкой. Образцы,
вырубленные из тонких пластин, надеваются на ролики с поворотом так,
что оказываются максимально растянутыми со стороны внут-
в
Рис. 55. Самозатягивающиеся зажимы для образцов (а, б,
в—различные конструкции):
1—образец; 2—шарнирные соединения с отводными ручками; 3—пружины.
реннего диаметра. Образцы, вырубленные из толстых пластин,
также растягиваются неравномерно по ширине. К тому же
форма их поперечного сечения сильно искажается при
вырубке.
На рис. 53—56 приведены
различные типы зажимов для
испытания образцов на
растяжение: а) винтовые зажимы
(рис. 53) с рифлеными или глад- 7
кими губками, между которыми
образцы закрепляются поджати-
ем винта; б) эксцентриковые
(самозатягивающиеся) зажимы
(рис. 54) с рифлеными или
гладкими губками, создающие поджа-
гие давлением эксцентрика и
отличающиеся от винтовых
зажимов быстротой крепления
образца; в) рычажные самозатягиіваю-
щиеся зажимы (рис. 55,а—в);
последние сочетают быстроту
крепления с надежностью и являют-
Рис. 56. Самозатягивающийся
зажим:
1—образец; 2—ролики; 3, 7—части
зажима; 4—наклонные пазы; 5—выступы; в—
пружина.
142 Гл. II. Опред. проч. и упруго-релаксац. свойств резины при статич. нагр.
ся наиболее совершенными. Степень зажимания в
самозатягивающихся зажимах возрастает ло мере повышения нагрузки,
действующей на образец.
На рис. 56 показана одна из последних конструкций этого
типа зажимов41.
Два ролика 2, между которыми помещается образец /,
находятся в наклоненных под углом друг к другу пазах верхней
части зажима. Оттягивая нижнюю часть зажима давлением
пальцев руки на выступ 5, заставляют ролики скользить по
наклонным пазам вниз; при этом ролики расходятся и между
ними можно вставить конец образца. По снятии пальцев с
выступа 5 нижняя часть 7 зажима под действием пружины 6
возвращается вверх, ролики скользят в пазах и зажимают конец
образца. Поскольку пазы наклонны, по мере утонения
образцов при растяжении, за счет сил трения и поджатия пружины 5,
нижняя часть зажима поднимается, а ролики 2 непрерывно
сближаются; при этом сила затягивания образцов не
уменьшается, как, например, в винтовых зажимах, а, наоборот,
возрастает.
Для освобождения образца после испытания нажатием на
выступ 5 оттягивается нижняя часть зажима и ролики,
держащие образец, расходятся.
Различные типы приспособлений к разрывным машинам для
проведения испытаний при других видах деформации будут
рассмотрены ниже в соответствующих разделах.
Измерение деформации при растяжении. Конструкции :
экстензометров
Деформация образцов, испытываемых на растяжение, не
всегда может быть определена по относительному изменению
расстояния между верхним и нижним зажимами. Это
объясняется следующими причинами.
Образцы, имеющие форму двусторонних лопаток (см.
рис. 84), уширенные на концах для обеспечения их разрушения
в центральной однородно деформируемой зоне («рабочем
участке»), неодинаково деформируются по длине. Представляет
интерес измерения деформации «рабочего участка», поскольку
для него наиболее прост и точен расчет напряжений и
деформаций. Последние определяются по смещению двух узких
параллельных полосок или «меток», нанесенных на рабочий
участок деформированного образца и находящихся на
определенном расстоянии друг от друга.
Измерять деформацию по меткам целесообразно также и
для одинаковых по сечению образцов в виде полосок, так как
3. Устройство разрывных машин 143
при больших расстояниях поперечное сечение образца
уменьшается, но не может измениться в местах закрепления,
вследствие чего по краям образца имеет место неоднородная
деформация. Этот так называемый «краевой эффект» существенно
не сказывается только на длинных и достаточно жестких (мало
растяжимых) образцах, например полуэбонитовых,
многослойных резиново-тканевых и т. п.
Применение меток, кроме того, имеет и то преимущество, что
исключает практически никак не учитываемое влияние
выскальзывания образцов, уменьшающее степень деформации.
Выскальзывание образцов для большинства резин
ликвидируется путем применения «наплывов» или утолщений в местах
згжимания и соответствующих зажимов, держащих образцы за
утолщения42 (см. рис. 77).
Такие образцы сложнее точно вырубить, потому что в этом
случае существенное значение имеет строго подобное
расположение наплывов на обеих ветвях образца, обеспечивающее
одинаковую, симметричную относительно центра деформацию.
До последнего времени самым распространенным способом
измерения деформации являлось непосредственное определение
расстояния между метками, обычно проводимое вручную по
миллиметровой линейке либо при использовании самоЛишущих
и других полуавтоматических приспособлений, с помощью двух
ручных индексов (см. рис. 44, позиция 14). Каждый из
индексов передвигается вслед за одной из меток образца по
возможности так, чтобы совпадать с ней. Поскольку деформация
образцов достаточно велика, неизбежные погрешности измерения
не могут сильно влиять на результаты.
Для облегчения и уточнения работы с ручными индексами
был предложен ряд приспособлений, позволяющих измерять
удлинения при задгнных нагрузках43 либо нагрузки при
заданных удлинениях.
На рисунке 57 показано приспособление, сигнализирующее
по достижении заданной нагрузки о моменте отсчета удлинения.
Контакт 2 на маятнике машины имеет палец 3, скользящий
при подъеме маятника по эбонитовому блоку 4. На блоке 4
установлены два медных контакта 13 и 14, связанных
изолированной проволочкой 12 с зажимом 8 на эбонитовом блоке 9.
Блоки 4 и 9 соединены между собой стальными пластинками 6
в единую рамку, укрепляемую на дуговой шкале 11 машины
с помощью винта 10 против нагрузки, избираемой для
проведения отсчета и показываемой по шкале указателем 7.
Когда палец 3 соприкасается с контактом 14, замыкается
цепь батареи электрического звонка, протянутая от зажима 8
к контакту 2, и подается предварительный сигнал («внимание»).
144 Гл. П. О пред. проч. и упрцго-релаксрц. свойств резины при статич. нагр.
При вторичном сигнале, вызванном соприкосновением с
контактом 13, следует производить отсчет удлинения.
Измерение удлинения образца при помощи линейки по
расстоянию между двумя метками имеет существенные недостатки:
1. Необходимо одновременно наблюдать за двумя метками,
расходящимися по мере растяжения образца на значительные
расстояния.
2. Измерительная линейка находится при этом на
некотором расстоянии от образца, поэтому трудно избежать
ошибок, связанных с паралаксом.
3. При больших
удлинениях метки, нанесенные на
поверхность образца,
расширяются, так что невозможно
практически установить их
истинное положение.
4. Метод измерения
расстояния между метками по
линейке еще труднее применять,
когда машина термостатиро-
вана.
5. Результаты измерений
необъективны, зависят от
навыков оператора,
работающего на приборе; работа
чрезвычайно утомительна.
Рис. 57. Приспособление для
сигнализации об отсчете удлинения
при заданной нагрузке:
1—маятник силоизмерителя; 2—контакт;
3—палец; 4. 9—изоляционный блок; 5—
стрелка маятника; 6—соединительные
пластинки; 7—стрелка-указатель;
*—зажин; tO—винт; //—дуговая шкала сило-
язмерителя разрывной машины; 12—про-
волка; 13, К—медные контакты.
6. Особенно трудно
измерить удлинениие образца при
разрыве, происходящем
внезапно и сопровождающемся
быстрым сокращением
разорванных частей.
Автоматическое фиксирование удлинения при разрыве
образца, обычно применяемое на разрывных машинах, возможно
только при измерении деформации по изменению расстояния
между верхним и нижним зажимами и основано либо на
действии электромагнитного реле, отключающего привод нижнего
зажима в момент разрыва образца, либо на прекращении
движения каретки со шкалой, следующей до разрыва образца за
подвижным зажимом. В обоих случаях остановка производится
за счет некоторого смещения зажима в небольшой прорези под
действием собственного веса после освобождения его от
натяжения образцов в результате разрыва последнего.
Для осуществления автоматического замера удлинений
прежде всего требовалась установка на метках рабочего уча-
3. Устройство разрывных машин 145
стка образца таких устройств, крепление которых
практически не вызывало бы местной концентрации напряжений,
ослабляющих образец. В то же время подобные устройства должны
не соскальзывать с меток при больших деформациях,
выдерживать резкие удары и смену напряжений при внезапном
разрыве образца, закрепляться на метках просто, надежно и
быстро, существенно не задерживая установку и смену образцов
на машине44-46.
Экстензометр47 Исследовательской ассоциации
британских производителей каучука схематически изображен на
рис. 58.
Каждый из зажимов, закрепляемых в местах нанесения
меток, представляет собой легкую рамку, на которой
смонтированы две скрепленные общими осями а латунные пластинки б,
которые держат два миниатюрных шарика в. Пластинки б
стягивает пружина г, зажимая образец д между ними.
Рамки зажимов / прикреплены к кордным нитям 2,
натянутым пружинами и проходящим через блоки 3 (на шариковых
подшипниках), находящиеся на верхней и нижней
перекладинах главной рамки 4. Рамка 4 удерживается в строго
вертикальном положении посредством натянутых пружинами и
контргрузами (противовесами) нитей, проходящих через систему
симметричных блоков 5.
Экстензометр приводится в действие по приложении к
одному из зажимов нагрузки около 4 гс.
При растяжении образца зажимы / расходятся, при этом
корд 2, наматываясь на блоки 3, вызывает их вращение. На оси
верхнего блока 3 смонтировано зубчатое колесо 6. Размеры
его подобраны таким образом, чтобы при перемещении меток на
расстояние, равное их начальному расстоянию A дюйм),
зубцы колеса десять раз замкнули электрический контакт реле,
связанного с самопишущим прибором. Таким образом,
самописец делает отметки через каждые 10% удлинения.
Продолжительные отметки следуют через каждые 100%
удлинения.
Аналогичное устройство зажимов экстензометра48, дающего
электромагнитные импульсы через каждые 5% удлинения,
схематически показано на рис. 59.
Конструкция зажимов достаточно груба, чтобы выдержать
удары концов разорванного образца. Каждый из зажимов
независимо смонтирован на вертикальном стержне и может
скользить по нему, как по направляющей. Смещение зажимов через
найлоновый корд 3, проходящий через блоки 1 и направляющие
ролики 2. вызывает вращение звездочки 5, зубцы которой конт-
рактируют с бронзовыми проволочками цепи реле 6 на каждые
10-2406
НбГл. If. Опред. проч. и упруго-релаксщ. свойств резины при статич. нагр.
5% удлинения, давая импульсы на электромагнитный счетчик
низкого напряжения (контур реле, связанный с самописцем).
Тот же принцип действия положен в основу экстензометров.
применяемых в НИИШП49.
В качестве сигнального устройства здесь используется
лампочка, зажигающаяся через каждые 100% удлинения рабочего
Схема рамки.
Рис. 58. Схема экстензометра,
дающего импульсы иа каждые
10% удлинения рабочего
участка образца:
1—зажимы (а—оси, б—латунные
пластинки, в—шарики, г—пружина, д—
образец); 2—нити; 3, 5—блоки;
4—рамка; 5—зубчатое колесо; 7—цепь реле.
Рис. 59. Схема
экстензометра, дающего импульсы на
каждые 5% удлинения
рабочего участка образца:
/—блоки; 2—направляющие
ролики; 3—нити (найлоновый корд);
4—натягивающие пружины; 5—
звездочка; о—цепь реле.
участка образца. Замыкание цепи лампочки производится при
встрече контакта, вращающегося на оси стрелки шкалы
удлинений, с контактами, расположенными на шкале. В экстензо-
метре имеются две независимо вращающиеся системы блоков:
1) от зажима, находящегося на нижней метке рабочего участка
образца; эта система поворачивает стрелку; 2) от зажима,
находящегося на верхней метке образца; эта система
поворачивает шкалу. Повороты стрелки и шкалы происходят в
противоположные стороны, и общее смещение, равное удлинению
рабочего участка образца, представляет сумму этих поворотов.
3. Устройство разрывных машин
147
Несколько на ином принципе основана работа экстензомет-
ра34, позволяющего регулировать скорость движения
диаграммной ленты самопишущего прибора в соответствии с
изменением расстояния между метками рабочего участка. Таким
образом записывается зависимость нагрузка — деформация.
Экстензометр состоит из каретки, движущейся по
направляющим колонкам на половину изменения расстояния между
зажимами, так что во время растяжения каретка остается
посередине образца.
63 60гц
715в 80гц
Нагрузка
Рис. 60. Схема экстензометра, управляющего
скоростью диаграммной ленты самописца:
/, 2—сельсины; 3, 4—ролики; 5—преобразователь;
5—сервоусилитель; 7—сервомотор: 8—зубчатые передачи; 9—
диаграммная лента самописца.
На каретке имеются два ролика, находящиеся на
постоянном расстоянии, равном длине рабочего участка, и
контактирующие с образцом по линиям меток рабочего участка в
недеформированном состоянии. При растяжении последнего
(посредством трения в контакте) ролики приводятся во
вращение. Вращение каждого из роликов передается
соответствующему сельсину (рис. 60) 1 и 2.
Принцип действия сельсинной следящей системы заключается в
следующем31.
Сельсин—небольшая индукционная машина переменного тока с
однофазной первичной обмоткой и трехфазной вторичной обмоткой.
Два сельсина, из которых один является датчиком (ССД), а другой
приемником (ССП), соединяются по схеме, аналогичной показанной на рис. 61,
например статор 2 сельсина-датчика со статором 3 сельсина-приемника.
Ротор 1 датчика имеет угловое перемещение yj, а ротор 4 приемника,
находящийся на валу следящего двигателя Д, имеет перемещение срг.
10*
148 Гл. II. Опред. проч. и упруго-релаксац. свойств резины при статич, нагр.
Если обмотка ротора-датчика / питается от сети переменного тока, то в
обмотке ротора-приемника 4 трансформируется электродвижущая сила Иг,
пропорциональная sin ('fi—?2).
Угол (ух—<fi) называется углом рассогласования сельсинов, а
напряжение і'г—напряжением рассогласования или ошибки.
Оно усиливается с помощью электронного усилителя 5 по величине и
мощности и подается иа управляемую обмотку двигателя Д.
В рассматриваемой схеме экстензометра (см. рис. 60) сель
син / питается напряжением в 6 в (частотой 60 гц).
Растяжение образца и смещение каретки вызывает вращение
роликов 3 и 4, передаваемое на
сельсины. Разница угловых
перемещений сельсинов,
пропорциональная удлинению рабочего
участка, дает «сигнал»
рассогласования, воспринимаемый
сервоусилителем 6 через
преобразователь 5. Усилитель приводит в
движение сервомотор 7, а
последний — через систему
зубчатых передач 8 — диаграммную
ленту самописца 9.
Таким образам, движение
диаграммной ленты
пропорционально удлинению рабочего
участка образца. Тот же привод, который смещает диаграммную
ленту, через преобразователь ликвидирует сигнал
рассогласования.
Описанные конструкции экстензометров далеко не
охватывают все возможные способы их построения446. Достаточно
отметить, что в принципе любой датчик, преобразовывающий
смещение меток в электрическое напряжение или импульс, может
быть использован для этой цели и работать аналогично выше
рассмотренным электронным силоизмерителям, управляя, в
конечном итоге, движением пера самописца или диаграммной
лентой, работой осциллографа или стрелкой указывающего прибо-
ра50, 51.
Не исключена возможность применения бесконтактного
фотоэлектрического способа измерения деформации.
Наряду с описанными нашли применение автоматические и
полуавтоматические устройства для измерения деформации
рабочего участка по одной из меток последнего. Они могут быть
использованы при условии исключения выползания образцов из
зажимов и возможности измерения расстояния между
зажимами L.
Рис. 61. Принципиальная
схема действия сельсинной
следящей системы:
/, 4—роторы: 2, 3—статоры;
5—усилитель; Д—двигатель; ССД—сельсин-
датчик; ССП—сельсин-приемник;
Ut—напряжение; <рі и <рг—угловые
перемещения роторов.
3. Устройство разрывных машин
149
Если I — расстояние между меткой и близлежащим
зажимом, то деформация образца при растяжении равна
где Lq и /о — соответственно начальные расстояния между
зажимами и меткой и близлежащим зажимом.
Наблюдение за одной меткой резко облегчает работу
оператора и повышает ее точность.
Рис. 62. Электрическая схема устройства для
регистрации удлинения:
1—скользящий контакт; 2— барабан; 3—мотор; 4—выпрямитель; 5—
трансформатор; 5—реостат; — электромагнит; 8—затвор;
3—киноаппарат.
При передвижении ручного индекса вслед за меткой на
образце диаграммная бумага самописца получает смещение,
пропорциональное разности (-о /).
То же получается при непосредственном закреплении
уравновешенного зажима на месте нахождения метки рабочего
участка образца, что полностью автоматизирует замеры. Основным
условием точности работы является строго симметричное
нанесение меток и закрепление образца в зажимах.
В НИИРП52 для измерения длины рабочего участка между
метками использована киносъемка. Киносъемочный аппарат
дает частоту съемки объекта до 60 кадров в минуту.
На рис. 62 показана электрическая схема устройства для
регистрации удлинения. Частота кадров регулируется установкой
\Ы)Гл. /I. Опред. проч. и упруго-релаксац. свойств резины при статич. нагр.
скользящего контакта /, специального коллекторного барабана 2,
приводимого во вращение от мотора 3 со скоростью 2 об/мин.
Через реостат 6, трансформатор 5 и выпрямитель 4 постоянный
ток напряжением 15 в подается на обмотку электромагнита 7.
Под действием электромагнита затвор 8 киноаппарата 9
открывается и одновременно с образцами на пленку (при выдержке
1/40 сек) фотографируется измерительная линейка, неподвижно
установленная в тепловой камере машины в плоскости
испытуемых образцов.
Узлы передачи деформаций (приводы и преобразователи
движения)
На большинстве разрывных машин реализуется режим
заданной скорости перемещения подвижного зажима с помощью
электромотора.
Некоторые машины наряду с электрическим приводом
имеют независимый ручной привод, обычно редко применяемый
непосредственно для испытаний.
На стр. 128 схематически был .показан один из вариантов
разрывной машины с электрическим приводом (см. рис. 44). От
мотора 42 через двухступенчатую ременную передачу (ремень 43,
шкив 41 и ступенчатый шкив 44) вращение передается на
червячный вал 46, связанный с червячным редуктором 45, 40, и на
горизонтальный вал 39. Последний посредством шестерен 38, 47,
49 связан с промежуточным горизонтальным валом 48. В
зависимости от выбранной скорости деформации с помощью ножной
педали 50 устанавливается положение сцепной муфты 33,
определяющее сцепление шестерен 38, 47, 49, 35, 34 (через вал 36 или
минуя вал 36) и скорость вращения, передаваемую звездочке
32, через которую проходит цепь Галля 31. Проходя через
систему направляющих звездочек 29, 30, цепь тянет траверсу
(каретку) 28 с зажимом /, двигая ее поступательно по
вертикальным напразляющим колонкам.
В других типах машин при включении муфты зацепления
вращение с горизонтального вала передается на вертикальный
ходовой винт посредством червячной передачи либо пары
конических шестерен, либо косозубых цилиндрических шестерен (как
это показано, например, на рис. 63). При этом сидящая на
винте гайка перемещает каретку, которая вследствие сцепления с
вертикальными направляющими пазами движется
поступательно.
Ременные и зубчатые передачи не позволяют плавно изменять скорости
деформации, а рассчитаны на более или менее широкий набор передаточных
чисел (соответственно, дискретных скоростей). Для плавной регулировки ско-
3. Устройство разрывных машин
151
ростей в ряде машин применяется фрикционный вариатор, действие которого
основано на сцеплении посредством трения конических или цилиндрических
диска и ролика. На рис. 63 показан привод с фрикционным вариатором к винту
разрывной машины, измеряющей нагрузки до 5 кгс. Скорость вращения диска 16
может непрерывно изменяться при передвижении по нему ролика 15 в
соответствии с выбором радиуса /?2 окружности, по которой осуществляется
фрикционная связь. Передаточное число і равно i—RjRz, где Ri—радиус ролика.
Движение ролика 15 осуществляется поворотом рукоятки // указатели
скорости 10 (связанным с движением стрелки по шкале указателя скорости).
На оси рукоятки сидит шестерня,
перемещающая подвижную рейку 12, а
вместе с йен и неподвижно
закрепленную обойму 14 вилки 13, несущей
фрикционный ролик. Недостатком
фрикционного сцепления является
проскальзывание при больших
значениях передаваемой мощности,
искажающее скорость деформации.
Скорость может уменьшаться с
увеличением напряжения в образце и
соответственно—проскальзывания.
Поэтому фрикционные приводы
используются в маломощных машинах,
измеряющих нагрузки ие более 10 кгс.
В машинах нового типа для
непрерывного изменения
скоростей деформации
применяется двигатель постоянного тока.
Непосредственно к сети
подключен тиратрон53, который
превращает переменный ток
сети в постоянный. Задавая
различные напряжения на
сетке тиратрона с помощью
потенциометра, можно
варьировать скорость вращения
мотора.
На рис. 64 приведена схема работы электронной разрывной
машины со следящей системой в приводе, позволяющей точно
поддерживать заданную скорость и синхронизировать смещение
зажима с движением диаграммной ленты самопишущего
механизма33.
Ротор сельсина-датчика 7 имеет угловое перемещение, соответствующее
скорости движения траверсы (каретки) 10, несущей зажим //. Движение
траверсы вдоль направляющих ходовых винтов 13 осуществляется от мотора
постоянного тока<9 через систему передач 9. Сельсин-приемиик 4 настроен на
выбранную скорость смещения траверсы. Отклонение в действительной скорости
траверсы дает, таким образом, сигнал рассогласования (разности показаний
двух сельсинов). Сигнал усиливается в противоследящем контуре сервоуси-
Рис. 63. Привод к ходовому винту
маломощной разрывной машины
(завод «Металлист»):
/, 6—ступенчатые шкнвы; 2—ходовой винт;
3—ремень; 4, 9—пара косозубых шестерен;
5, 8—червячная пара (чераяк а—шестерня 5);
7—электродвигатель; 10—шкала; //—рукоятка;
12—рейка; 13—вилка; 14—обойма; 15, 16—
фрикционная пара (ролик 15—диск 16).
152Гл. II. О пред. проч. и упруго-релаксрц. свойств резины при статич. нагр.
лителем 5 и передается на амплидин* 6, или электромашинный усилитель,
воздействующий на приводной мотор 8 до тех пор, пока сигнал отклонения не
будет сведен к нулю вследствие установления траверсы в положении,
соответствующем настройке.
Корректировка смещений менее 0,0005 дюймов @,0125 мм) производится
быстрее, чем за 0,5 ее/с.
Рис. 64. Схема регулировки скорости подвижного
зажима иа электронной разрывной машине Иистрона:
/—синхронный мотор; 2—протод; 3—магнитные выключатели;
4, 7—сельсин; 5—сервоусилитель; 6—амплидин: 8—мотор
постоянного тока; 9—редуктор; 10, 16—траверсы; //, 14—зажимы; 12—
пружины; 13—ходовые винты; 15—датчик электронного сило-
измерителя.
Вся следящая система и диаграмма самописца приводятся в действие
малым синхронным мотором 1, отличающимся строго постоянным числом
оборотов, не зависящим от нагрузки мотора. Посредством привода 2 выбирается
скорость движения траверсы от 0,02 до 20,0 дюймов в минуту @,5—500 мм/мин).
Движение диаграммы и траверсы строго синхронизировано. Для большего
соответствия на ходовых винтах имеются прижимные пружины 12, выбирающие
«мертвый ход» (люфт) траверсы.
, С помощью магнитных быстродействующих выключателей 3 можно
изменять направление движения траверсы или останавливать ее. Благодаря
наличию магнитных выключателей система отличается малой механической
инерцией.
На описанной разрывной машине можно также реализовать многократно
повторяющееси возвратно-поступательное движение траверсы при строго
определенном ее ходе (длине пробега).
Подобного рода тахометрический привод с
электромашинным усилителем, позволяющим плавно варьировать и автомати-
* Амплидин представляет собой коллекторную машииу постоянного тока,
применяемую при больших мощностях управляемых двигателей, когда
недостаточно мощности одного усилителя.
3. Устройство разрывных машин
153
чески поддерживать постоянными скорости движения
подвижного зажима машины от 50 мм/мин до 1000 мм/мин, имеется в
электронной разрывной машине конструкции НИКИМП.
Применение иных типов приводов рассматривается в
разделе о скоростных машинах.
Самопишущие механизмы
Построение кривых напряжение — деформация по
результатам непосредственного наблюдения нагрузок при различных
удлинениях не только трудоемко, но и мало точно, так как может
Рис. 65. Схема пишущего приспособления к
разрывной машине с маятниковым силоизмерителем:
/—зажим; 2—образец; 3—маятник; 4—ось маятника;
5—сектор; в—коррекционный кулачок; 7, 8, II, 15, 18—нить; 9, 10—
двойные блоки (большой и малый в паре); 12—барабан; 13—
перо; 14—пластины; 16—блок барабана; 17—груз; Р—сила.
быть проведено лишь по дискретным точкам. Непрерывные
кривые получаются автоматически с помощью самопишущих
механизмов.
Наиболее просто осуществить автоматическую запись,
связав кинематически движение диаграммной ленты либо пера
самописца с перемещением зажимов. Такая схема целесообразна,
однако, лишь для образцов-колец.
На рис. 65 показана подобная схема самописца к разрывной
машине с маятниковым снлоизмерителем.
154Гл. //. Опред. проч. и упруго-релаксцц. свойств резины при статин. нагр.
При растяжении образца 2 маятник 3 поднимается, что
вызывает поворот кулачка 6 вокруг его оси и смещение нити 18,
натянутой грузом 17 и проходящей через блок 16. При этом
поворачивается барабан 12, на котором пластинами 14 закреплена
бумага. Поскольку угол подъема маятника связан с
действующей нагрузкой нелинейно, профиль коррекционого кулачка 6
рассчитан так, чтобы скорректировать эту нелинейность; в
результате оказывается, что угол поворота барабана прямо
пропорционален нагрузке Р.
Движение нижнего зажима / вниз вызывает сматывание
нити 7 с большого блока 9 и наматывание нити 11 на малый блок
9, что приводит к .подъему пера 13 самописца. При подъеме
маятника 3 верхний зажим, а с ним и сектор 5, опускается, вызывая
наматывание нити 8 на большой блок 10 и сматывание нити 15
с малого блока, что приводит к опусканию пера самописца.
Последним вводится корректировка на изменение растяжения
образца вследствие опускания верхнего зажима. Таким образом, на
диаграмме по вертикальной оси вычерчивается изменение
расстояния между зажимами, необходимое для расчета
деформации, а по горизонтали — нагрузка.
Соотношение диаметров малого и большого блоков 9 и 10
обуславливает масштаб диаграммы по деформации; оно должно
быть одинаково для обеих пар блоков. Масштаб шкалы
нагрузок зависит от многих параметров: длины маятника, величины
повешенного на нем груза, размеров коррекционного кулачка 6,
диаметров блока 16 и барабана 12, Определение масштабов
диаграммы по обеим осям («цены деления») может быть
произведено как расчетным путем, так и непосредственным
сравнением действительных и записанных значений нагрузок и
деформаций.
Рассмотренной схемой самописца неудобно пользоваться, так
как не всегда можно приравнивать деформацию изменению
расстояния между зажимами.
На стр. 128 была приведена конструкция самописца (см.
рис. 44), на диаграмме которого в определенном масштабе
наряду с нагрузкой отмечается изменение расстояния между
ручными индексами 14, продвигаемыми вслед за метками на
рабочем участке образца. Движение каретки 17, несущей перо 18
самописца, связано с подъемом маятника 8 через коррекционный
кулачок 5, делающий перемещение каретки линейным
относительно нагрузки. Продвижение диаграммной бумаги 19
самописца пропорционально изменению расстояния между
индексами 14. К концам индексов прикреплен тонкий металлокордовый
тросик 15, переброшенный через подвижный блок 25 и
неподвижный блок 13. Шестерня 20 сцепляется с зубчатой рейкой 26,
3. Устройство разрывных машин 155
свободно подвешенной на тросике 15 вместе с подвижным
блоком.
Перемещение нижнего индекса вниз вызывает смещение
тросика и рейки вниз и вращение шестерни по часовой стрелке.
Сидящий на оси шестерни блок 21, вращаясь, вызывает
наматывание нитей 23 и 24 на катушки и вращение валика 16, при
котором опускается диаграммная бумага. Перемещение верхнего
индекса вниз через ту же систему производит обратное движение
диаграммной бумаги.
Имеется множество разновидностей самописцев к разрывным
машинам с маятниковыми силоизмерителями27-50.
В электронных разрывных машинах, как уже было описано
на стр. 134—136, силоизмеритель снабжен самопишущим (и
одновременно указывающим) приспособлением типа
электронного потенциометра50 или (особенно в случае быстро
меняющихся нагрузок н на высокоскоростных разрывных машинах)
осциллографом, записывающим изменение нагрузки во времени.
На ряде электронных машин28 параллельно с записью
временной зависимости нагрузки производится запись удлинений
(во времени).
Можно связать двигатель диаграммной бумаги (ленты) с
механизмом, следящим за смещением подвижного зажима33.
Можно также синхронизировать смещение диаграммной
бумаги самописца с движением ручных индексов либо с
действием экстензометра34.
Разрывные машины для высоких скоростей деформации54-61
Интерес к испытаниям такого рода связан с общей
тенденцией повышения скоростей нагружения при различных условиях
эксплуатации резины в изделиях.
Как уже указывалось, эти испытания могут быть отнесены к
статическим только при условии, что скорость растяжения
существенно ниже скорости распространения упругой волны (vi) в
испытуемом образце. Эта последняя скорость дается
соотношением:
/Л C4)
где є — деформация растяжения;
Е — модуль Юнга;
р— плотность.
Минимальное значение в начальный момент растяжения (при
е~0) для резин средней жесткости составляет ~ 30 м/сек.
іобГл. //. Опред. проч. и упруго-релаксрц. свойств резины при статич. нагр
При растяжении со скоростью, близкой к этому значению,
надо считаться с тем, что время прохождения импульса
нагрузки через образец сопоставимо с временем нагружения. Если,
как это обычно делается, нагрузка измеряется на однрм конце
образца, а другой конец образца перемещается с заданной
скоростью, то измеряемые значения нагрузки не будут отвечать
соответствующим мгновенным
значениям деформации образца.
Для корректировки необходимы
специальные расчеты и
дополнительные измерения, например,
установка двух силоизмерителей
вместо одного около каждого из
зажимов образца. К сожалению,
подобные поправки обычно на
практике не применяются, что
и приводит в ряде случаев к
ошибочным заключениям и
неправильной трактовке результатов.
Испытания при высоких
скоростях деформации практически
стали возможными благодаря
введению автоматических
безынерционных замеров деформаций
и нагрузок.
Высокие скорости
реализуются ударным действием быстро
расширяющегося газа54, падением
Рис. 66. Высокоскоростная
машина с падающим грузом:
а—с закрытым арретиром; б—со
свободным арретиром; У—электронный силонз-
меритель; 2, 3—зажимы: 4—образец; 5—
направляющие колонки; б—груз;
7—арретир; 8—трос; 9—демпфер; 10—основание.
груза55, выстрелом55,
закручиванием цепи, несущей зажим, на вал быстроходного мотора56.
Естественно, при этом должно быть предусмотрено
демпфирование (гашение ударов) при остановке быстро движущихся
масс.
На рнс. 66 показано устройство прибора55 с падающим
грузом. Верхний зажим 2 образца 4 связан с электронным силоиз-
мерителем /.Нижний зажим 3 посредством проволок длиной 0,5 м
присоединен к грузу 6 E—10 кгс), скользящему при
освобождении арретира 7 по направляющим колонкам 5 под действием
силы тяжести. Нижний зажим движется со скоростью 3 м/сек.
Более высокие скорости достигаются на катапультном
приборе (рис. 67M5. Он состоит из двух масс 7 и 4 в 2 кг и 600 г
соответственно. Массы могут двигаться по направляющим 3,
покоящимся на основаниях / прибора. Силоизмеритель 8,
связанный с неподвижным зажимом 9 образца 10, закреплен в одном
из оснований /. В другом основании на противопЪложном кон-
3. Устройство разрывных машин 157
це прибора находится буфер 2. К массе 7 прикреплено натяжное
устройство 6 с резиновыми кольцами 5, а к массе 4 —
подвижный зажим // образца.
Создают необходимое натяжение колец 5 и, освобождая
арретир массы 7, «стреляют» массой 7 по массе 4, получая при
этом разницу в скоростях масс до 18 м/сек.
Если недостатком прибора с падающим грузом ябляєтся
увеличение скорости груза со временем или непостоянная скорость
деформации, то недостатком катапультного прибора можно
считать замедление движения масс 4 и 7 вследствие тоения в
направляющих 3.
Рис. 67. Катапультный прибор:
/—основание; 2- буфер; 3—направляющие; 4, 7—массы; 5—резиновые
кольца; 5—натяжное устройство; 8—силоиэиеритель; 9, 11—зажимы;
10—образец.
Непостоянство скоростей характерно и для прибора
(рис. 68), работающего за счет расширения газа54. Последний
поступает из баллона вьісокоґо давления в резервуар /,
связанный через быстродействующий клапан 2 с одноходовым
воздушным цилиндром 3 двойного действия, поршень которого несет
на своем штоке 4 нижний зажим 5 машины. Верхний
неподвижный зажим 6 связан с электронным силоизмерителем 7.
При открытии быстродействующего клапана расширяющийся
газ двигает поршень со скоростью около 104 мм/сек ПО м/сек).
Однако ход поршня ограничен; по достижении поршнем
небольшого расстояния от конца цилиндра, во избежание ударов,
газ начинает выпускаться через специальные пазовые
отверстия 8, причем скорость поршня резко снижается. Высокоде-
формируемые материалы часто не удается довести до
разрушения.
Конструктивно довольно проста машина, дающая
автоматическую запись нагрузка — деформация без применения
электроники. Принцип ее работы ясен из рис. 6957.
Нижний зажим / образца 3 неподвижен, а верхний 2
посредством троса 4, перекинутого через блок 5, связан с винтовой
(спиральный) пружиной 6. Блок смонтирован на шариковом
подшипнике и вертикально перемещается от привода с высокой
158Гл. П. Опред. проч. и упруго-релаксцц. свойств резины при статич. нагр.
скоростью, вызывая растяжение образца. Усилие в образце
уравновешивается деформацией пружины. Перо 7, находящееся
на рычаге, прикрепленном к блоку, записывает суммарное
движение, обусловленное движением блока и растяжением
пружины. Недостаток машины — сложные координаты автоматически
записанной диаграммы нагрузка — деформация.
Л
Л
1
1
1
Us
Г
г
1 і А
1 1 I
і
і
і
1
Ї
\^
6-
=»
Э
=»
Рис. 68. Пневматический
прибор:
/—резервуар; 2—клапан; 3—цилиндр;
4—шток; 5, 6—зажнм; 7—силонзмери-
тель; 8—отверстия для спуска газа.
Рис. 69.
Высокоскоростная машина:
Л 2—зажимы; 3—образец; 4—
трос; S—блок; 6—пружина; 7—
перо.
Наиболее удачным сочетанием для скоростных машин
является использование электрического привода и электрического
спЬсоба измерения нагрузок и деформаций.
Так, в машине58, позволяющей производить растяжения со
скоростью от~ 2,3 до 65 м/сек, применяется
пьезоэлектрический датчик, генерирующий Э. Д. С, прямо пропорциональную
механическому (измеряемому) усилию, и передающий ее на
осциллограф, с экрана которого можно сфотографировать
временную зависимость механической нагрузки.
В приборе Фроманди56 достигаются скорости 10—20 м/сек с
приводом от электромотора.
От электропривода работает также высокоскоростная
разрывная машина60, схематически показанная на рис. 70.
Привод 1 (мотор, редуктор и цепная или ременная
передача) служит для вращения ротора 2, закрепленного на валу 3.
3. Устройство разрывных машин
159
На роторе крепятся съемные зажимы 4 с образцами. На оси
6 вращается несущая балка 7, в отсутствие деформации
образца удерживаемая защелкой 5. На измерительной бакле 9
наклеены тензометрические датчики, входящие в мост,
соединенный с усилителем и шлейфовым осциллографом.
Прибор термостатирован и в нем могут поддерживаться
высокие и низкие температуры.
Защелка 5 включается электромагнитным способом,
освобождая балку 7, которая под действием пружины 8 входит в
>
Ю
Рис. 70. Высокоскоростная машина Гуля н Ковриги:
1—привод; 2—ротор; 3—вал; 4—зажимы; 5—защелка; 5—ось; 7—несущая балка; S—
пружина; 9—измерительная балка; 10—кольцо; 11—фотоэлемент; 12— источник света.
свое рабочее положение. При вращении ротора зажим 4
подходит к балке 9, и начинается деформация образца, как это njo-
казано сверху на рис. 70. Сила, действующая на балку 9,
является геометрической суммой сил, развивающихся в ветвях
образца. Она записывается в зависимости от времени на шлей-
фовом осциллографе.
В приборе имеется датчик положения роТ;ора, состоящий из
источника света 12, фотоэлемента 11 и кольца 10 из
прозрачного материала. Кольцо находится на одном валу с рэторрм 2.
На кольце имеется темная линия, которая меняет интенсивность
света, попадающего в фотоэлемент //, в зависимости от
положения ротора. Кривая изменения фототока фиксируется на
пленке шлейфового осциллографа.
оная скорость вращения ротора и геометрию деформации
образца, устанавливают зависимость усилия на балке от уси-
ібОГл. //. Опред. проч. и упруго-релаксац. свойств резины при статич. нагр.
В{
П
лия в образце в различные моменты времени и зависимость
удлинения образца от времени.
. Недостаток прибора — отсутствие непосредственной записи
кривых усилие — удлинение, а также неоднородность
деформации, связанная с трением образца о тензометрическую балку.
Высокоскоростная разрывная машина61, на которрй за
время 0,002—0,005 сек к образцу прилагается постоянная
растягивающая нагрузка, основана на
действии электромеханического
устройства, показанного ня
рис. 71.
Нагрузка, растягивающая
образец 5, доходит до 3—5 кгс и
зависит от силы тока в легкой
катушке / из пластмассы с
обмоткой из алюминиевой
проволоки. Катушка находится в
кольцевом зазоре электромагнита 2,
магнитное поле в котором,
созданное подмагничивающей
обмоткой 3, достигает 10 000 гаусс.
При пропускании тока через
катушку последняя втягивается
в полость магнита и растягивает
образец. Для управления формой
импульса включается масляный
(или электрический) демпфер 4.
При возникновении нагрузки в
образце прогибается мембрана емкостного датчика 6. Это
вызывает электрический сигнал, который усиливается в усилителе
постоянного тока и производит вертикальное смещение луча на
экране трубки катодного осциллографа. Одновременно с
подачей тока в катушку производится пуск ждущей временной
развертки, осуществляющей горизонтальное смещение луча. В
результате на экране осциллографа получается зависимость
механического усилия в образце от времени.
Благодаря высокой частоте собственных колебаний
датчика получается неискаженная запись усилий в диапазоне частот
от 0 до 5 000—10000 ги.
Рис. 71. Высокоскоростная маши-
иа:
1—катушка: 2—электромагнит; 3—подмаг-
ничивающая обмотка; 4—демпфер; 5—
образец; в—датчик.
Термостатирование разрывных машин
Для проведения испытаний при различных температурах
разрывные машины термостатируются. Обычно применяются
воздушные термостаты (камеры) с внешним обогревом. Целесооб-
1 3. Устройство разрывных машин. .;< , .¦ , ; -.'. 161
разно термостатировать только то пространство, в котором
находится испытуемый -образец. Трудности термостатирования
заключаются в том, что для растяжения образцов до разрыва
требуются довольно длинные термостаты; при этом важно
обеспечить равномерное распределение и точное поддержание
температур во всем объеме и во времени. Особенно сложна
проблема термостатирования разрывных машин при применении
низких температур, поскольку для охлаждения больших объемов
необходимы холодильные установки и специальная
теплоизоляция.
Серийно -выпускаются термостатированные разрывные
машины с маятниковым силоизмерителем (фирмы «Веркштоф-
прюфмашинен») для испытаний при температурах от —60 до
+ 100°С. Их следует считать мало удачными как вследствие
громоздкости и нерационального размещения в
термостатированном шкафу, наряду с зажимами для образцов, ходового
винта и частей привода, которые при намораживании «инея»
работают с большим трением («заеданием»), так и из-за
сравнительно малого диапазона измеряемых нагрузок. Номиналь
ные значения шкал нагрузок слишком велики, и измерения
дают неточные результаты при высоких температурах. В то же
время шкалы нагрузок недостаточны (нагрузки иногда менее
разрывных) при низких температурах.
Измерение удлинений на этой машине также является не-
решеннЪй задачей, так как производится по изменению
расстояния между зажимами и пригодно в основном для кольцевых
образцов.
Вопрос об испытании на разрыв при низких температурах
до сих пор не решен удовлетворительно. Во всяком случае
Ьчевидно, что следует стремиться к применению небольших по
размерам образцов, что позволит значительно сократить
объемы термостата..
На рис. 72, а показана камера62, в которой термостатиро-
ваны только образец с зажимами и использован электронный
силоизмеритель, схема которого приведена на рис. 72, б. Для
получения низких температур пользуются холодильной смесью
(твердая углекислота со спиртом).
Не менее важным является вопрос юб укреплении образцов
в зажимах. Непосредственно помещать образцы в зажимы,
находящиеся в сильно нагретом или охлажденном термостате,
неудобно и небезопасно, так как можно вызвать ожоги или
обмораживание рук. Если устанавливать образцы в термостат
при умеренных температурах, а затем прогревать или
охлаждать их, то испытание становится чрезмерно длительным и
принципиально иным по содержанию, поскольку во время длитель-
11-2406
162: Гл. //. Опред. проч ft упруго-релаксац. свойств резины при статич. наг р.
ного прогрева или охлаждения находящиеся в термостате
образцы могут претерпевать необратимые изменения.
Конструкция термостата должна позволять удобно и
надежно размещать образцы при их установке для испытания, не вы-
S —F
Рис. 72. Разрывная машина с
термокамерой и электронным силоизмери-
телем:
<t—камера; б—контур тензометра;
/—переключатель н нуль-потенцнометр; 2—самописец;
3—приводной шкив; 4—нагреватель на 1000 em
или сухой лед (твердая углекислота);
5—вентилятор для циркуляции в тепловую камеру
нагретого или охлаждаемого воздуха; 6—
электронный енлоизмеритель (тензометр);
7—шкала удлинений; 8—образец; 9—тепловая
камера; 10—аккумуляторные батареи 18 в:
11—переключатель; 12— сопротивление на 100
тыс. ом; 13—тензометр F00 ом): 14—нуль-
потенцнометр; 15—самописец;
16—сопротивление на 100 ом-
Рис. 73. Схема
термостатированной разрывной машины с
маятниковым силоизмерителем (завод
«Металлист»):
/—маятник; 2—груз; 3—шкала; 4—собачки;
5—зубцы; 5—каретка; 7. 10—зажим; 8—
термокамера; 9—образец; //—линейка;
12—ручка.
зывая при этом
существенных колебаний
температуры или затраты
дополнительного времени на
восстановление температурного
равновесия. Температура должна быстро выравниваться
после загрузки образцов. Удобно пользоваться небольшими
загрузочными дверцами, допускающими, однако, быструю смену
образцов.
При повышенных температурах до 100—150°С для
разрывных машин с маятниковыми силоизмерителями п именяют схе-
3. Устройство разрывных машин-
463
му термостатирования, изображенную на рис. 73 (завода
«Металлист») .
Нижний зажим 7 образца 9 закреплен неподвижно. Верхний
зажим 10 связан с маятником 1 силоизмерителя и кареткой 6
посредством троса, перекинутого через блоки. Скорость
движения верхнего (подвижного) зажима в такой машине вдвое
выше скорости каретки. Для
наблюдения за образцами передняя
стенка термостата 8 застеклена.
Измерение удлинения образцов
производится с помощью линейки 11,
перемещаемой вслед за растягиваемым
образцом; при этом измеряется
расстояние между метками; ручка
12 для перемещения линейки
находится вне термостата.
Здесь' должно обеспечиваться
распределение и поддержание
температур в зоне нахождения
образцов (рабочем объеме) в
пределах ±1°С до 100°С и ±2 °С до
150 °С.
В описанной конструкции
имеются узлы, в которых может быть
значительное трение. Последнее
искажает измерения нагрузки в
образце.
Поэтому более целесообразна
конструкция термостатированной
машины49, показанная на рис. 74,
где один из зажимов образца
непосредственно связан с силоизмери-
телем.
Удобнее всего, по-видимому,
термостатировать машины45'63 с
электронными силоизмерителями.
Однако вопрос об автоматизации замера деформаций
пока не решен. Не разработан быстрый и надежный
способ установки экстензометров на образцах в термостатах.
Особо важен последний момент при испытаниях в области
температур выше 150°С. В связи с усложнением
эксплуатационных условий работы технических резин эти испытания в
последнее время находят все более широкое распространение.
Установка образца с экстензометром в тепловые камеры при
температурах 300—400°С довольно затруднительна. В скон-
11*
Рис. 74.
Реконструированная разрывная машина
НИИШП:
/—станина; 2—кольцевой динамо
метр с индикатором (силоизмери-
тель); 3, 9—11—система блоки—трос;
4—камера; 5—нижний
неподвижный зажим; 6—основание;
7—привод; в—цепь.
л ¦*
по А-А
Рис. 75. Термостатированная камера разрывной машины фирмы «Файерстон»:
в—общий вад; б—праспособление для установка образцов в зажимах (рельсовый путь).
3. Устройство разрывных машин
165
струированной для испытаний при таких температурах камере
фирмы «Файерстон»64 вообще не предусмотрено измерение
удлинений (рис. 75,а). Эта камера имеет специальную
теплоизоляцию и мощную вентиляторную систему для циркуляции
нагретого воздуха сквозь рабочую зону.
Для установки образцов в зажимах применяется
специальный рельсовый путь (рис. 75, б), проходящий через небольшую
боковую дверцу. Для наблюдения за образцами впереди
имеется смотровое окно. Таким образом, исключается необходимость
открывать термостат, вызывая этим резкое изменение
температуры.
Рис. 76. Термостатированная разрывная машина
НИИШП с приспособлением для установки образцов в
зажимах и для измерения удлинения:
1—опорные брусья; 2, 12—направляющие; 3—цилиндрические части
зажимов; 4—зажимы; 5—образец; б—толкатель; 7—планка; S—трос;]
Э—динамометр; 10—ролик; Л—каретка; 13—стрелка; 14—шкала.
Те же особенности тепловой камеры (теплоизоляция,
электрообогрев, вентиляционная циркуляция воздуха, автоматическая
терморегулировка, рельсовый путь) сочетаются с возможностью
проведения измерений удлинений на машинах НИИРП и
НИИШЛ52 (рис. 76).
Устройство для подачи и установки образцов изображено
справа. На опорных брусьях / закреплены цилиндрические
направляющие 2, на которые надеваются цилиндрические части 3
зажимов 4 самозатягивающегося типа с образцами 5.
Применяются образцы с наплывами, не выскальзывающие практически
из зажимов (рис. 77).
Образцы продвигаются к центру камеры толкателем 6 (см.
рис. 76), пока верхний зажим не войдет в зацепление вырезан-
166Гл. II. Опред. проч. и упруго-релаксац. свойств резины при статич. нагр.
ной частью верхней направляющей 2, прикрепленной к
подвижной планке 7, которая посредством троса 8 связана с
динамометром 9 и роликом 10 на подвижной траверсе 11 (каретке)
разрывной машины. При движении траверсы вниз верхний зажим
поднимается в термостате по направляющим 12, вызывая
растяжение образца с заданной
скоростью.
Поскольку образцы не
выскальзывают из зажимов,
а один из зажимов
(нижний) неподвижен, можно
измерять изменение
расстояния между зажимами
как смещение верхнего
зажима непосредственно по
смещению стрелки 13 на
каретке относительно мил
лиметровой шкалы 14, и,
кроме того, следить по ли-
за одной из меток рабочего
Рис. 77. Закрепление в зажиме
образца с наплывами:
/—образец; 2—зажим.
у образца,
нейке, находящейся
участка.
Учитывая, что расстояние между наплывами в недеформиро-
ванном образце равно Lo, можно определять деформацию
однородного участка образца по формуле:
1
C5)
где /і — половина приращения длины растянутого образца,
равная смещению стрелки 13 по шкале 14;
І2 — расстояние между меткой и наплывом в растянутом
образце;
10 — то же в нерастянутом образце.
Если Lo=43 мм, 1о=9 мм, то
/,-9,0-/,
При этом предполагается, что распределение деформаций в
обеих неоднородных частях образца одинаково.
4. ЗАГОТОВКА ОБРАЗЦОВ ДЛЯ • ИСПЫТАНИЯ4065-83
Свойства резины, предназначенной для испытания, зависят
не только от ее состава, но и от способа изготовления.
Заготовка образцов для испытаний может производиться одним из еле-
. 4. Заготовка образцов для испытания . 167
дующих способов: 1) вулканизацией резиновой смеси в
индивидуальных гнездах специальной вулканизационной формы, на
вулканизационном прессе или в котле в виде отдельных
образцов; 2) вулканизацией цельнорезиновых или многослойных
резиновых и резино-тканевых пластин для последующей вырезки
или вырубки из них отдельных образцов; 3) вырезкой
образцов или заготовок под образцы из готовых резиновых
изделий.
В некоторых случаях используется свободная вулканизация
в котле формованных заготовок резиновых смесей или другие
способы вулканизации, распространенные в технологии
резинового производства.
При изготовлении образцов из резиновых смесей следует
применять стандартные ингредиенты, хранящиеся в
кондиционированных условиях65. Изготовление резиновых смесей (смешение)
должно производиться do строгим соблюдением рецептуры (по
весовому или объемному содержанию), режима смешения,
температуры, условий и времени выдержки смесей перед
вулканизацией. Существенное значение имеют точность поддержания
температур и давления на ьулканизационном оборудовании,
скорость нагрева, время и температура вулканизации, а также
условия растекания резиновых смесей в форме до начала их
вулканизации. Последние зависят как от свойств самой смеси, так
и от выбранных размеров и формы заготовок, закладываемых
в вулканизационную форму; температуры; давления
прессования; скорости прогрева формы и тому подобных факторов.
Оказывает влияние также материал поверхности вулканизацгіонной
формы70. Так, медь замедляет вулканизацию; нержавеющая
сталь, хромированные поверхности, целлофан дают гладкую
поверхность вулканизата, а свинец, мягкая сталь, латунь и медь
способствуют ее шероховатости.
Недооценка какого-либо из этих .факторов приводит к
разбросу показателей при испытании. Из изложенного следует, что
воспроизводимость результатов испытания обеспечивается лишь
при строго одинаковом способе изготовления образцов67.
Каждый из способов изготовления имеет свои особенности,
дающие ему преимущества в одних случаях и делающие его
неприемлемым в других. Так, вулканизация в индивидуальных
гнездах удобна для массивных образцов, которые трудно точно
вырубить. Резины при вырубке сильно вминаются, что приводит
к искажению формы образцов. В индивидуальных гнездах
обычно вулканизуются цельнорезиновые образцы или производится
привулканизация резины к жесткой подложке (например, к
металлу). Индивидуальная вулканизация не применяется для
многослойных образцов, поскольку слои в этом случае получаются
168/"л. 11. Опред. проч. и упруго-релаксац. свойств резаны при статич. нагр.
сильно перекошенными; не рекомендуется она также для
образцов, на результаты испытания которых сильно влияют
неизбежно получаемые выпрессовки, а также перевулканизованная,
вследствие плохой теплопроводности резины, пленка,
образуемая на поверхности образца.
Вулканизация пластин, с последующей вырубкой из них
образцов, целесообразна при получении тонких образцов сложной
конфигурации, которые трудно вынуть из гнезд индивидуальной
Рис. 78. Штанцевый нож для вырубки образцов в виде
двусторонних лопаток (ASTM D412—5IT) и его заточка:
/.—длина ножа; <3—ширина: //—высота: N, У—размеры вкладыша:
Л, В, С, D. Е. F—см. рис. 84, а.
формы и получить равномерной толщины. Многослойные
образцы, особенно небольших размеров и из тонких слоев, также
рациональнее вырезать из пластин, поскольку при вулканизации
пластин большой площади легче избежать перекоса слоев;
последний получается обычно по краям пластин, которые не
используются при последующей вырезке образцов.
Образцы подвергаются испытанию не ранее чем через 6 ч
после окончания их вулканизации, если в технических условиях
на изделия не указывается другое время вылежки67.
4. Заготовка образцов для испытания
169
Рис. 79. Искажение
сечения образца при
вырубке:
/—нож; 2—образец-
В условиях цехового контроля для сокращения времени
вылежки образцы охлаждаются перед испытанием 15 мин в воде,
имеющей температуру 15—20 °С.
Вырезка или вырубка образцов из пластин производится на
специальном оборудовании: на вырубных прессах штанцевыми
ножами, на сверлильных станках и других машинах с помощью
вращающихся цилиндрических или дисковых ножей, ленточных
пил, штанцевых ножей (рис. 78).
Перед вырубкой ножи смачиваются водой. Важно следить
за состоянием режущих краев ножа, не допускать на нем івмя-
тин, выбоин и прочих дефектов, так как царапины и выемки
создают на поверхности вырубленного
образца участки местной концентрации
напряжений при испытании. Это
существенно сказывается на результатах,
особенно на пределе прочности при
разрыве, снижая его на величину, доходящую
до 20%.
Для меньшего износа штанцевых
ножей на стол вырубного пресса под
пластину резины подкладывают резино-тка-
невые листы, достаточно жесткие, чтобы
не вызвать смятия резины под ножом, но в то же время
предохраняющие ножи от быстрого затупления. Изношенные
прокладки легко заменяются. В качестве промежуточного слоя между
прокладкой и резиновой пластиной целесообразно использовать
картон. Прокладки (листы) рекомендуется делать также из па-
ранита или эбонита; кроме того, могут быть применены масо-
нит, гуттаперча, винипласт ,и др.
Недостатком вырубки является искажение формы
поперечного сечения образца из-за вмятия и растяжения резины с
поверхности, как это показано на рис. 79. Степень искажения зависит
от жесткости резины и от іостротьі края ножа. Поэтому
необходима тщательная наладка вырубных приспособлений, в
частности своевременная заточка штанцевых ножей. В стандартах68 69
указана форма и размеры заточенного края (см. рис. 78).
Совершенно недопустима вырубка одним ножом
одновременно из нескольких пластин. Ускорить процессы заготовок можно
только за счет одновременной вырубки из всей пластины
несколькими ножами, для чего необходимо строго фиксировать
расположение ножей относительно друг друга и пластины.
Следует обратить особое внимание на направление вырубки
образцов. Это важно, поскольку в направлении каландрования,
шприцевания или вальцевания показатели механических свойств
иные, чем в других направлениях. Поэтому при вулканизации
170 Гл. II. Опред. проч. и упруго-релаксцц. свойств резины при статич. нагр.
пластин указанное направление помечается, и образцы
вырубаются так, чтобы последующее их растяжение при испытании
происходило вдоль этого направления67.
Вырезка образцов из готовых изделий производится с
помощью ножей или ленточных пил, вручную или механически746.
На рис. 80 показано приспособление для нарезки пластин из
достаточно массивных резиновых заготовок, сконструированное
Г. Ф. Паниным (НИИШП). Обычно получают пластины
толщиной а ±0,2 мм и 2 ±0,3 мм.
Рис. 80. Приспособление для нарезки пластин из
массивных заготовок резинового изделия:
/—мотор; 2—нож; 3—заготовка; 4, 6—винты; 5—стол; 7—салазки, 8, 9—
маховички; 10—шкала.
От мотора 1 приводится во вращение дисковый нож 2.
Заготовка резины 3, зажатая между планками и упорным уголком
поджимными винтами 4 и 6 (последний—с распорной пружиной)
и расположенная на столе 5, устанавливается против ножа 2
перемещением всего суппортного устройства с помощью
маховичка 8. При этом на шкале маховичка 10 отсчитывается ход
устройства, соответствующий толщине полоски, которую будет
отрезать от резиновой заготовки 3 нож 2. Полоска отрезается при
перемещении салазок 7, на которых закреплено зажимное
устройство, в направляющих с помощью маховичка 9 и
передаточной (приводной) системы. Это заставляет вращающийся нож 2
разрезать надвигающуюся на него заготовку резины.
.Последовательно передвигая зажимное устройство вдоль
режущего нржа, а затем приближая к нему заготовку на опреде-
4. Заготовка образцов для испытания
171
ленное расстояние, можно отрезать несколько тонких полосок
из выступающей части зажатой резиновой заготовки 3.
Приспособление широко применяется для нарезки полосок из
заготовок протекторов шин.
Описан76 станок, позволяющий нарезать тонкие резиновые
пластины (толщиной около 2 мм) на полосы, а из них — мелкие
квадратики AX1 мм).
После нарезки, для удаления следов ножа или при наличии
шероховатой поверхности, резина подшлифовывается на шлифо-
Рис. 81. Схема станка для подшлифовки резиновых
пластин:
/—шлифовальные камнн; 2—опорные ролики; 3—прижимные винты;
4—кожух; 5—отсосная вентиляция; 6—основание.
вальном круге абразивного материала, вращаемом от мотора,
вручную, подобно тому как производится заточка ножей, либо
на специальных станках77""80.
На рис. 81 и 82 показаны различные конструкции станков
для подшлифовки пластин.
Изображенный на рис. 81 станок77 рассчитан для
подшлифовки довольно жесткой и большой ,по толшине резиновой
заготовки. Он состоит из трех секций, последовательно
установленных на одной скамье, одинаковых по конструкции, но
снабженных различными абразивными камнями — для более грубой и
для более тонкой подшлифовки.
Резиновые заготовки примерной длиной 300 мм, шириной
около 40 мм и толщиной порядка 8 мм закрепляются на со.ответст-
172Гл. 11. Опред. проч. и упруго-релаксдц. свойств резины при статич. нагр.
вующих опорных роликах 2. Расстояние последних от
шлифовальных камней / фиксируется с помощью прижимных винтов 3.
На камне с грубым зерном при каждом обороте камня с
поверхности резины сошлнфовывается слой толщиной 0,1 мм, а на
камне с тонким зерном — около 0,05 мм.
Сошлифованная резиновая пыль отсасывается с помощью
вентиляции 5.
При шлифовке толстых и жестких заготовок способ
крепления н деформируемость резин не имеют существенного значения.
Более тонкие и
мягкие резины могут подшли-
фовываться на станке,
устройство которого дано
на рис. 8278.
Абразивный круг /
приводится во вращение
мотором 2. Образец 13
находится на столе 6,
который может подниматься
и опускаться с помощью
микрометрических
колонок 8 и 15. В левой
колонке 15 имеется шкала
14, градуированная в
тысячных долях дюйма, по
которой отсчитывают
перемещение стола по
вертикали. Обе колонки
связаны цепочкой 10 на
звездочках 7. Высота стола
подбирается соответственно толщине образца,
устанавливаемого зажіимом // против абразива. Пружина 12 прижимает
образец к абразиву. Образец держится прижимной рамкой 4 с
роликами 3. Расстояние между нижними приводными 9 и
верхними прижимными роликами 3 регулируется парой кулачков 5.
Приводные ролики 9 вращаются от мотора с помощью цепной
передачи 16, потягивая резину под абразивом.
Для шлифовки применяется абразивный круг из
шлифовального камня зернистостью 30 * (абразивное зерно просеивается на
сите с отверстиями размером 0,54 мм). Диаметр камня около
150 мм, толщина 38 мм. Скорость вращения при шлифовке
составляет 2800 об/мин.
Особо важное значение имеет подшлифовка, когда резина
заготовляется из слоев каркаса и брекера шины или других ре-
зино-тканевых изделий, где на тонких резиновых пластинках
Рис. 82. Шлифовальный станок:
/—шлифовальный камень; 2—мотор; 3, 9—ролики:
4—прижимная рамка; 5—кулачки: в—стол;
7—звездочки; 8, 15—микрометрические колонки; 10—цепочка;
//—зажим; 12—пружина; 13—образец; 14—шкала
установки стола; 16—цепная передача.
4. -Заготовка образцов для испытания
173
її
і
1
Рис. 83. Штамп для нанесения меток
на образцы.
остаются глубокие следы нитей, а толщина резин в
промежутках между нитями доходит до 0,2—0,3 мм.
Шлифование на станке сопряжено также с рядом трудностей.
При наличии эксцентриситета шлифовального круга,
выбоин или отдельных крупных зерен на его поверхности, при
биении вала мотора шлифуемый материал, находящийся на
подложке, может быть поврежден (царапины, местные выемки н
проч.). Поэтому шлифовальный круг должен быть тщательным
образом установлен и «проал-
мажен»77.
Если шлифуемая резина
тонка, то на жесткой
подложке она может быть разодрана.
Поэтому часто необходим
промежуточный слой. Однако
подложка не может быть
слишком мягкой, иначе
резина будет вминаться, а не
шлифоваться. При шлифовке с
закреплением шлифуемой
резины представляет неудобство
также большая деформируемость резины; лучше несколько
натягивать резину, причем по возможности равномерно.
Закрепление резины должно быть достаточно надежным, чтобы не
допускать ее выползания и образования складок под
шлифовальным камнем.
Из подшлифованных пластин производится вырубка
образцов так же, как и из вулканизованных.
Заготовленные для испытания образцы должны быть
осмотрены на отсутствие внешних дефектов, измерены, размечены,
снабжены соответствующими паспортами для записи
результатов испытания и номерами (маркированы).
Для испытания ряда образцов, в частности для испытания
на разрыв образцов, имеющих форму двусторонних лопаток,
на них должны быть нанесены соответствующие метки.
Внутренние метки ограничивают «рабочий участок» и дают
возможность следить за удлинением в ходе испытания. Наружные мет
ки служат для симметричного закрепления образцов в зажимах,
Метки наносятся специальной краской на основе резинового
клея, обычно с помощью штампов (рис. 83). Ширина меток
должна составлять не более 0,5 мм. Необходимо соблюдать
строгую параллельность линий, равенство расстояний между
метками и симметричность расположения их на образце. Окраска
меток должна обеспечивать контрастность цветов: белая — для
черных резин, красная — для светлых.
174Гл. //. Опред. іщш^^упруго-релаксац. свойсів резины при статич. нагр.
¦ Измерение толщины образцов производится с помощью
контактных микрометров (толщиномеров).
Толщина образцов в виде двусторонних лопаток
измеряется в рабочем участке в разных местах, но не менее, чем в
трех89-81. Точность замера — до 0,01 мм. Толщиномеры должны
иметь мерительные нагрузки не более 200 г, если диаметр
площадок, между которыми помещается образец при измерении.
16 мм, и не более 100 г, если диаметр площадок 10 мм.
Для расчета напряжений необходимо знать площадь
поперечного сечения образца. Обычно ширина рабочего участка
образца-лопатки вычисляется по ширине вырубного штанцево-
го ножа. Поэтому ширина ножа должна проверяться путем
применения контрольных плиток Иогансона. Допуски по ширине
в стандартах США составляют ±0,02" и —0,000". Естественно,
вследствие деформируемости резины ширина вырубленного
образца несколько отличается от принятой, а сечение —от
прямоугольной формы.
Для отдельных ответственных (требующих повышенной
точности) измерений может быть применен способ вычисления
реально получаемой ширины образца, заключающийся в
следующем82. Вырубив из пластины образец, вставляют его в
пластину и из его рабочего участка в поперечном направлении тем
же ножом вырубают три образца, получая в результате три
квадрата, взвешивая которые и зная толщину образца и
плотность резины, можно рассчитать сторону квадрата, т. е.
искомую ширину.
Аналогичный метод определения площади поперечного
сечения образца рекомендован ГОСТ81 для тех случаев, когда ре
Зина имеет шероховатую поверхность или сильно искажается
при вырубке. Площадь поперечного сечения So вычисляется по
массе m и плотности р вырезанного из испытанного образца
рабочего участка начальной длиной /о:
5„ =
Р'о
Как перед вырубкой, так и после вырубки все
заготовленные для испытания образцы должны быть выдержаны в
кондиционированных73'83 условиях. Кондиционировать целесообразно
помещения, предназначенные не только для хранения и
заготовки образцов, но и для проведения испытания, поскольку не всэ
испытательные машины и приборы термостатированы. Между
тем на свойства материала влияет температура, освещенность
(попадание прямого солнечного света), в меньшей степени —
влажность.
5. Испытания резины нр прочность 175
Согласно ГОСТ67, механические испытания производят при
температуре в помещении от 15 до 25 °С. Если образцы
хранились при более высоких температурах, то непосредственно
перед испытанием на растяжение они должны охлаждаться в
воде, имеющей температуру 15—20 °С, — при толщине образцов
околр 2 мм не менее 5 мин, а более толстые образцы — в
течение часа.
От этого метода следует отказаться, заменяя его
кондиционированием помещения.
5. ИСПЫТАНИЯ РЕЗИНЫ НА ПРОЧНОСТЬ
Определение прочностных характеристик иа разрывных
машинах
В разделе 1 главы II были отмечены исходные предпосылки
теории прочности о том, что основные разрушающие
напряжения в резине вызываются нормальными растягивающими
нагрузками. Лабораторные статические испытания резины на
прочность производятся при растяжении.
Основным, массовым видом испытания, по которому
разрывная машина получила свое название, является определение
предела прочности резины69 при растяжении*, обычно
сопровождаемое измерением нагрузок при заданных удлинениях или
снятием полной кривой деформации — нагрузка, а также
нахождением удлинения при разрыве и остаточной деформации.
Размеры и форма образцов, применяемых для испытания,
существенно влияют на получаемые результаты.
Стандартизованы две основные формы образцов: кольцевые образцы40
и образцы в виде двусторонних лопаток (рис. 84).
Как указывалось выше, применение кольцевых юбразцов
облегчает замер деформации, но делает ее неоднородной. Трение
ибралца и рилики различно для разных резин, а неоднородная
деформация создает по-разному напряженные участки. Разрыв
происходит раньше в более напряженных участках. Поэтому
обычно на кольцевых образцах получаются заниженные
показатели прочности84. Помимо того, вырубка кольцевых образцов
более сложна и менее надежна, так как требует наличия строго
центрир.ованных круглых штанцевых ножей.
По стандартам ФРГ применяют два типа кольцевых
образцов: RI, диаметрами (рис. 84, в) ?>=52,6 мм (наружный)
и с/ = 44,6 мм (внутренний), и RII, диаметрами D = 44,6 мм и
d = 36,6 мм, толщиной 6 мм.
* По ГОСТ69' 81 этот показатель называется пределом прочности при
разрыве.
176 Гл. II. Опред. прон. и упруео.-релаксац. свойств резины при статич. нагр.
а \=q~z
бе
Образцы в виде двусторонних лопаток . приняты
большинством стран40'68> 69'8!. Их форма выбрана таким образом, чтобы
обеспечить разрыв в центральной, однородно деформируемой
зоне образца (рабочем участке), где не сказывается краевой
эффект. Для этого центральная
часть делается существенно более
узкой, чем края. При однородной
деформации, зная длину рабочего
участка и площадь его поперечного
сечения, легко рассчитать
деформацию и напряжение по измеренным
расстояниям между метками и
растягивающим усилиям.
В табл. 2 сопоставлены размеры
образцов-лопаток, рекомендованные
различными стандартами:
отечественным69'81, международным66,
американским68 и ФРГ40.
Следует отметить, что на
практике эти размеры задаются для штан-
цевых вырубных ножей с
соответствующими допусками (например,
±1 мм на В, С, F, ±0,5 мм на Е,
+ 0,4 мм на D, согласно ISO R—
3766). Размеры образцов при
вырубке получаются несколько
искаженными, как это иллюстрировалось на
рис. 81. Проверке подлежит только
толщина образцов в «рабочем
участке».
По DIN, форма двусторонних
лопаток нсколько отличается
наличием заостренных краев. На образцах
имеется только один, сравнительно
большой радиус закругления. Обычно в зависимости от состава
испытуемой резины и чувствительности применяемых приборов
выбирают различные размеры образцов.
По ГОСТ 270—5381, основным типом образца для испытания
является тип А, с шириной рабочего участка 6,5±0,3 мм. Тип
А заменяется типом Б, если разрывы образцов типа А
происходят вне рабочего участка (как, например, на резинах из
натурального каучука). В новом варианте ГОСТ 270—6469
введены типы В и Г. Тип В—по рекомендации ИСО66, тип Г—для
замены типа В, если образцы разрываются вне рабочего
участка. Эти образцы, и особенно типа Д, дают возможность прове-
Рис. 84. Формы и размеры
стандартных образцов:
а-по ASTM и ГОСТ; б, в-по DIN.
А—общая длина; В—ширина концов;
С—длина центральной части, имеющей
параллельные стороны: D—ширина
центральной части, имеющей
параллельные стороны; ?—малый радиус;
F— большой радиус; Р(к)—длина
концов; Q—длина рабочего участка
(расстояние между внутренними метками);
(А—2К)—расстояние между зажимами
(между внешними метками);
D^.—внешний диаметр кольца; d — внутренний
диаметр кольца.
Таблица 2
Размеры (мм) штанцевых ножей (рис. 78) для вырубки образцов (рис. 84) по различным стандартам
наче
ера
SS
8І§
А
в
с
D
Е
F
Q
А—2К
^^-«^^^ Стандарт
Размер ь ~~^—-^
Общая длина
Ширина концоп
Длина центральной
части, имеющей
параллельные стороны
Ширина центральной
части, имеющей
параллельные стороны
Малый радиус
Большой радиус
Длина рабочего
участка (расстояние
между метками)
Расстояние между
зажимами (между
внешними метками)
ГОСТ 270-6488
А
ПО
25±1
25+1
6,5+0,3
14,1±0,5
25+1
25+0,5
50+1
Б
НО
25+1
30+1
3,2+0,2
14,1±0,5
20,3+1
25±0,5
50±1
в
75
12,5±
+1
25+1
4+0,1
8+.0.5
12,5+
| 1
20±
0,5
40±1
г
75
12,5+
+ 1
25±1
2±0,1
9+0,5
12,5+
і і
20+
0,5
40±1
Тип
Д
55
9±1
12,5+
±1
2±0,1
7±0,5
9±1
Ю±
0,25
25±1
ИСОвв
53504
образца
I
115
25
33
6
14
25
25
II
75
12,5
25
4
8
12,5
20
St II
120
25
15
5
30
Р=30*
10
ASTM D412-51T8S
А
140
25
59
12,7
14,3
25,4
—
в
140
25
59
6,35
14,3
25,4
—
С
115
25
33
6,35
14,3
25,4
—
D
1Ш
16
33
3,2
14,3
15,9
—
Е
125
16
59
3,2
14,3
15,9
—
F
125
16
59
6,35
14,3
15,9
—
• Р—расстояние от конца образца до напала звкругления (радиусом R).
178Гл. //. Опред. проч. и упруго-релакфц. свойств резины при статич. нагр.
дения испытаний резин из готовых изделий малых размеров78.
Кроме того, они* реже разрываются на нерабочем участке и.
вследствие этого, дают меньший разброс показателей испыта-
**
ния
Как правило, чем меньше размеры рабочего участка
испытываемого образца,, тем выше показатели предела прочности
резины при растяжении и относительного удлинения. Это
объясняется рассмотренными выше особенностями распределения
«дефектов структуры» в резине, проявляющимися во влиянии
масштабного фактора. В связи с этим результаты испытания
образцов раличных размеров и формы не могут сопоставляться
между собой.
По ГОСТ67, все испытания, связанные с измерением
нагрузки, должны производиться с выбором таких шкал нагрузок,
чтобы измеряемая нагрузка составляла от 15 до 85%
максимального значения шкалы.
Для увеличения нагрузки и получения большей точности
целесообразно брать образцы с более широким рабочим участком.
Однако, чтобы разрывы происходили в рабочем участке, он
должен быть по возможности более узким. Для уменьшения
габаритов машины при больших удлинениях рациональнее
выбирать образцы с меньшей длиной рабочего участка. Однако
уменьшение длины связано с увеличением разброса
показателей из-за относительно большего влияния неточностей отсчета
удлинений.
Данные по разбросу показателей85 представлены табл. 3, где
сопоставлены коэффициенты вариации х для различных резин
на основе НК по пределу прочности при растяжении (fz),
напряжению при заданном удлинении (f) и удлинению при разрыве
(е2), по DIN40, no ASTM68 (типа С), по ГОСТ81.69 (типа Б).
Характер разрушения образцов-лопаток в зависимости от
соотношения их размеров подробно изучен в ряде работ85"87.
Также изучен вид распределения показателей прочности10- 88>89.
По ГОСТ81, для вычисления предела прочности при растяжении
принимается во внимание наименьшее из трех замеренных в ра
бочем участке значений толщины образца, исходя из
предположения о том, что при прочих равных условиях образцы из
однородного материала вероятнее всего разрушаются в наиболее
тонком месте.
* Материалы НИИШП к проекту ГОСТ 270—64.
** Следует отметить, что, как видно из табл. 2, у образцов типа А рабочий
участок равен длине центральной части, имеющей параллельные стороны,
поэтому по краям участка однородная деформация не имеет места.
б^Нспытания резан»- на-прочности
179
Таблица 3
Сопоставление коэффициентов вариации показателей па различным стандартам
Показатель
/
fz
DIN 53504
пределы изменения
0,0310—0,065
0,033—0,078
0,0315-0,0620
средняя
величина
0,0650
0,0605
0,040
ASTM D412—51Т
пределы
изменения
0,0375—0,07
0,042—0,063
0,018—0,05
средняя
величина
0,0525
0,050
0,335
ГОСТ 270-53
пределы
изменения
0,036—0,122
средняя
величина
0,07
Стандартизована81 скорость растяжения (скорость раздви-
жения зажимов) 500 ±25 мм/мин.
Правило вычисления усредненных результатов испытания
(не менее, чем из трех показателей) рассматривалось ранее
на стр. 21.
В качестве прочностных характеристик определяют:
1) предел прочности резины при растяжении (в кгс/см2)
-с"
C6)
где Ръ — нагрузка, вызывающая разрыв образца, кгс;
So — первоначальная площадь поперечного сечения
образца в рабочем участке, см2.
Для образцов прямоугольного сечения
So =
где Ьо — первоначальная ширина рабочего участка образца,
определяемая шириной штанцевого ножа, см;
h0 — первоначальная минимальная толщина образца в
рабочем участке, см;
2) относительное удлинение резины при разрыве,
выражаемое процентным отношением приращения (/&г—'о) длины
/fcZ рабочего участка в момент разрыва образца к
первоначальной длине рабочего участка /о/
'о
• 100
C7)
12*
180Гл. II. Опред. проч. и упруго-релаксац. свойств резины при статич. нагр.
Дополнительной характеристикой является величина
истинного напряжения при разрыве.
рассчитанная с учетом изменения площади поперечного
сечения образца при растяжении, исходя из условий неизменности
объема деформируемого образца.
Кроме того, пользуются условной величиной, называемой
«произведением упругости» z (в кгс/см2):
100
которая в случае линейной деформационной кривой
(зависимости напряжение — удлинение) пропорциональна энергии
деформации.
Действовавший до 1ДГ1 1964 г. стандарт81 предусматривал
испытание только при стандартной комнатной температуре.
Между тем принципиальный интерес представляет
температурная зависимость прочности, поскольку резины с
относительно высокими показателями в «нормальных условиях»,
вследствие резкого падения прочности (как это, например,
наблюдается у резин на основе натурального каучука), могут
оказаться малопрочными при повышенных температурах.
В новом стандарте69 введены испытания при повышенных
температурах.
Для исследовательских работ испытания на разрывных
машинах, снабженных тепловыми или холодильными камерами,
а также приводом, позволяющим варьировать скорости
деформации, проводятся в возможно более широком диапазоне
температур и скоростей. При этом могут быть использованы
также высокоскоростные разрывные машины.
Производя испытания при температурах, отличающихся от
стандартных температур помещения («нормальных условий»),
необходимо учитывать, что резина плохой проводник тепла и,
наряду с этим, материал, существенно изменяющийся под
температурным воздействием. Эти изменения могут носить как
обратимый характер (например, кристаллизация при низких
температурах), так и необратимый (химическое течение при
высоких температурах). Поэтому особенно важно обеспечить
изучение зависимости механических свойств от температуры по
возможности неизмененного (исходного материла.
5. Испытания резины нр. прочность 181
Для этого необходимо быстро довести материал до
температуры испытания. Это Проверяется тем, что по возвращении к
исходной температуре материал должен обладать начальными
механическими свойствами (см. ГОСТ 270—64).
Показатели, получаемые в этом случае, характеризуют тем-
пвратуростойкость материала, а именно: теплостойкость при
высоких температурах и морозостойкость при низких. Обычно они
сопоставляются с идентичными показателями, полученными при
стандартных комнатных температурах; результаты испытаний
выражаются так называемыми коэффициентами теплостойкости
или морозостойкости при заданной температуре по
определенному механическому свойству. Например, «коэффициент
теплостойкости по прочности при 100 °С», означает отношение
предела прочности при растяжении материала при 100 °С к этому
показателю, полученному в нормальных условиях.
Для быстрого Достижения в резиновом образце выбранной
температуры испытания без изменения его исходных свойств
большое значение имеют: 1) толщина образца, 2)
обогревательная (охладительная) среда, 3) условия теплообмена.
Так, в воздушной среде, при циркуляции воздуха или
интенсивном его перемешивании с помощью вентилятора, в термоста
те стандартные образцы толщиной 2 мм, испытываемые на
предел прочности при растяжении, практически прогреваются до
100—150 °С в течение 3—5 мин. В то же время образцы толщиной
более 10 мм в термостате с циркуляцией воздуха прогреваются
20—40 мин, а без циркуляции — свыше двух часов.
Естественно, применение толстых образцов нецелесообразно
как с точки зрения непроизводительного расхода материала и
времени, так и из-за возможности необратимых изменений
материала.
Испытание резин на долговременную прочность
Для испытания применяются методы растяжения. Может
быть использован любой прибор для определения ползучести
образца (см. 'раздел 5 этой главы).
При заданных температурах и нагрузках (напряжениях)
определяется время от момента приложения нагрузки до
момента разрыва образца (долговечность).
Так как «закон» долговременной прочности зависит от
условий испытания (температуры, нагрузки) и испытываемого
материала (кристаллизующиеся, старящиеся резины) 18>19-80,
желательно проводить испытания в широких пределах
температур и нагрузок. Следует, однако, иметь в виду, что большой
разб ос показателей и длительность испытаний, доходя ая в
182Гл. II. Опред. проч. иупруго-релакфц. свойств резины при статич. нагр.
области малых нагрузок и низких температур до нескольких
лет, делают этот путь практически трудно реализуемым.
.В настоящее время хорошо проверенных рациональных
рекомендаций для массовых испытаний пока еще не выдано.
Качественная оценка может производиться либо условным
показателем при каком-то одном заданном условии испытания,
либо базируясь на принятии определенного закона, например
* / ^о—та \
записанного в виде т=то-ехр I kT ) (см. стр. 118),
характеристикой которого при заданной температуре являются наклон
прямой в полулогарифмической системе Igt—с и отрезок
/. Uo\ ' I т \ / а0 \а
l'gxo ~>~~kT~)'отсекаемый на оси о=1), либо в виде 1 — / = \~) >
характеризуемого наклоном прямой в логарифмической системе:
lg— 'б^Г" (см. стр. 119). В этих случаях прямая может
строиться «по двум точкам», т. е. по средним результатам
параллельных измерений при двух по возможности существенно
отличающихся друг от друга измерениях.
Эффективным путем расширения интервала времен
измерения долговременной прочности является применение
высокоскоростных машин, работающих <в режиме заданной нагрузки,
подобно описанной на стр. 160 высокоскоростной машине Жур-
кова и Томашевского. На этой машине задаются сравнительно
большие нагрузки и точно измеряются малые времена
воздействия.
В таких условиях достаточно быстро и надежно получаются
представления о долговременной прочности материала, не
претерпевающего существенных необратимых изменений, однако
при этом необходимо учитывать, что повышение скоростей
может изменить характер разрыва (повышение скоростей
эквивалентно снижению температур, и материал может перейти
в хрупкое состояние; во избежание подобного перехода при
появлении хрупкого разрыва следует одновременно повышать
и температуры испытания).
Определение сопротивления резины раздиру
Существовавшие до последних лет многочисленные91^100, в
том числе и стандартизованные97^100 методы определения
сопротивления раздиру основывались на представлении о раздире
как о разрушении резины на участках локальной концентрации
напряжений, вызванном надрезом, проколом или сложной
формой резинового изделия (образца). Единственно выдвигаемым
специфическим для испытания на раздир методическим требо-
5. Испытания резины на прочность
183
ванием являлось наличие на испытуемом образце участка
концентрации напряжений.
Поскольку это требование возможно реализовать
множеством способов, возникло большое число методов, которые по
способу осуществления разди'ра были классифицированы93 на три
группы:
1) непосредственное раздирание92 (рис. 85); 2) раздирание
перпендикулярно к направлению растяжения94"98' 10° (рис. 86—
88); 3) «расслоение» по
направлению растяжения9309
(рис. 89).
На рис. 86—89 приведены
некоторые основные типы
образцов, испытываемых на
раздир.
Наибольшее
распространение нашла вторая группа
методов, дающих хорошую
воспроизводимость и
наибольшую прочность. Эти
методы отличаются быстротой
получения результатов,
чувствительностью к
применяемой рецептуре.
Данные по разбросу показателей, получаемых этими
методами, представлены в табл. 4.
В СССР97 стандартизован метод раздира серповидных
Крючок
Рис. 85. Непосредственное раздира-
нне образца (испытание по группе 1).
Сравнение коэффициеитов вариацни % для различных
СКВ и СКС-30 по сопротивлению разднру, определенному
при стандартных условиях
Таблица 4
резин на основе НК,
различными методами
Тип образца
Пределы
изменений У.
Средняя
величина У.
По ГОСТ
262-53
0,037—0,157
0,087
По ASTM D624—54
тип А
0,069—0,13
0,124
тип В
0,055—0,19
0,092
тип С
0,032—0,10
0,084
По дельфтско-
му методу«*
0,058—0,31
0,115
(«почкообразных») образцов с пятью надрезами глубиной
0,5 мм на расстоянии 2.5 мм друг от друга, предложенный Гуд-
ричем91.
Рис. 86. Стандартные (ASTM D624—54)
образцы для испытания на раздир (типы
А, В и С).
Ось
сил
д —
б
Рис. 87.
Испытание иа раздир
по дельфтскому
методу:
а—штаице-
вый нож для
вырубки;
б—образец.
Рис. 88. Стандартные (ГОСТ)
серповидные образцы для испытания
на раздир. Пять надрезов
глубиною 0,5 мм, длиной 2 мм,
расположенных на расстоянии 25 мм
друг от друга.
Рис. 89. Стандартные (DIN 53507)
образцы для испытания иа раздир:
а—образцы; б—положение образца в зажинах.
5. Испытания резины на прочность
185
Образцы вырубаются из пластин толщиной 2±0,2 мм.
На рис. 90 показано приспособление для нанесения
надрезов.
Рис. 90. Приспособление для нанесения надрезов на
образец (по ГОСТ 262—53):
/—прорези; 2—сборная колодка; 3, 7—плитки; 4—лапки; 5, 6,
10—винты; Я—державка; 9—щечки.
Образцы помещают з гнездо державки 8, находящейся на
плитке 7, и закрепляют в выпрямленном, несколько растянутом
положении, прижимая с помощью винта 10 выступом щечки 9.
Надрезают лезвиями безопасных бритв смоченные мыльным
раствором образцы. Лезвия расположены в прорезях / сборной
колодки 2 на соответствующих расстояниях. Последняя
закреплена на плитке 3 прижимными лапками 4 при помощи вин:
тов 5 и 6. При соприкосновении лезвий с поверхностью плитки
3 они выступают над уровнем колодки на 0,5 мм.
Образцы устанавливают в зажимах разрывной машины так,
чтобы направление осей «а—а» и «в—в» (см. рис. 88)
совпадало с направлением действия нагрузки, и растягивают при
скорости подвижного зажима 500 мм/сек, отмечая нагрузку Ph,
при полном разрушении Разрушение, как правило, начинается
от вершины одного из надрезов.
Сопротивление раздиру о/ вычисляется как отношение
нагрузки Pk к начальной толщине h0 надрезанного образца:
Зг = -г- кгс/см
186Гл. П. Опред. проч. и упруго-релаксщ. свойств резины при статич. нагр.
Аналогично испытываются стандартизованные в США98
образцы типа А и В с одним надрезом и «угловые» образцы типа
С без надреза (рис. 86). По некоторым данным101, разброс
показателей на образцах типа А или В с одним надрезом
меньше, чем с пятью. В действительности же102 на образцах с пятью
надрезами разброс меньше. Образцы типа С дают наилучшую
сходимость результатов, но слишком низкие абсолютные зна-
/ео
і
1
\
—
/
& so
\го
<3
u г~і в 8 m
Млина надреза, ми
Рис. 91. Зависимость
сопротивления раади-
ру, вычисленного как
условное напряжение
(нагрузка, отнесенная
к площади
начального, оставшегося ненад-
резанным
поперечного сечения образца),
от длины надреза.
Рис. 92. Приспособление для нанесения надреза:
/—пружина; 2, 6—держатель; 3—эксцентрик; 4, 7—стержень;
5—лезвие; в—трубка; 9—платформа; 10—установочный винт;
//—барашковая гайка; 12—микрометр; 13—винт.
чения показателей, как следствие
высокой концентрации напряжений, и мало
чувствительны к изменению в рецептуре
несажевых наполнителей95. Особенно это
относится к испытанию на образцах
типа С с надрезом по стандартам ФРГ100.
Стандартизованы небольшие длины надрезов. Поскольку,
как видно из рис. 91, показатель сопротивления раздиру при
испытании на образцах по «второй группе методов существенно
зависит от длины надреза, особенно при малых длинах
последнего, необходима тщательная заготовка образцов — точное
надрезание. Для получения требуемой длины начального надреза
применяется ряд приспособлений95-103, уменьшающих разброс
показателей испытания. Однако они не гарантируют одинаковой
длины надреза для резин разной жесткости.
На рис. 92 показано приспособление95 для нанесения одного
надреза, применяемого для образцов типа А, В и С.
Образец закрепляется с помощью пружины /. Задняя часть
держателя 2, передвигаясь, оттягивает пружину / при повороте
5. Испытания резины на прочность
187
эксцентрика 3 с помощью стрежня 4 для установки или снятия
образца. Бритвенное лезвие 5, которым наносится надрез на
образце, зажимается в держателе 6, находящемся на
стержне 7, скользящем вдоль трубки 8, которая жестко прикреплена
к платформе 9. Стержень 7 имеет канавку, в которую входит
Рис. 93. Приспособление Мережанного для на-
.несения надреза:
/—выемка; 2, 6—сменные салазкн; 3, И—направляющие;
4—упор; 5—основание; 7—стойка; 8—ось; 9—рукоятка;
10—траверса; 12—пружины; 13, 14—втулки; 15—стержень;
16—бритва; 17—державка.
выступ установочного винта 10 внутри трубки 8. Это
предотвращает движение держателя бритвенного лезвия в горизонтальной
плоскости. Высота бритвенного лезвия, определяющая длину
наносимого им надреза, изменяется при подъеме или опускании
платформы 9 с помощью барашковой гайки //. Высота
платформы измеряется микрометром 12. После установки платформа
прочно укрепляется винтами 13.
Более простое приспособление для тех же образцов102,
разработанное в НИИШП, показано на рис. 93.
188Гл. II. Опред. проч. и упруго-релаксрц. свойств резины при статич. нагр.
Образец помещается в выемке 1 сменных салазок B— для
образцов типа В; 6 — для образцов типа А), передвигаемых в
направляющих 3. На одном основании 5 с направляющими
находится стойка 7, на которой закреплены упор 4, рукоятка 9,
вращающаяся на оси 8, стержень 15, несущий на конце
державку 17 с бритвой 16. Салазки с образцом придвигаются к стойке
7 на расстояние, регулируемое упором 4 и обеспечивающее
желаемую длину надреза. При нажиме рукоятки 9 на траверсу 10
пружины 12 сжимаются, стержень 15 и направляющие 11
скользят в соответствующих втулках 13 и 14 и бритва 16 прорезает
образец.
Вопрос о преимуществах того или иного из
стандартизованных методов, остававшийся дискуссионным до настоящего
времени, по-видимому, должен потерять свою актуальность в
связи с развитием теоретических представлений о явлении раз-
ДИра 13,14,104,105
Как указывалось в разделе 1 этой главы, объективным
критерием сопротивления раздиру является характеристическая
энергия раздира.
Поскольку испытание на раздир вряд ли может строиться
с полным /воспроизведением условий эксплуатации резинового
изделия, в связи с установлением физической сущности
явления раздира испытание на раздир целесообразно отнести к
группе общих методов.
Характеристическая энергия может быть определена на тех
образцах, при испытании которых возможно выделить
собственно работу раздирания и сопутствующую ей работу деформации.
Наиболее удобны в этом отношении так называемые образцы,
деформируемые «по типу простого растяжения» (рис. 94).
Если с — длина надреза, 2 а — ширина (а —ширина одного
сплеча»), L — длина, h — толщина образца при раздирании, то
при условии L^c^a^h и растяжении в направлении,
показанном стрелками, кривая нагрузка F — время t имеет характер,
изображенный на рис. 95.
Когда начинается раздирание, устанавливается более или
менее стационарное значение нагрузки F и степени растяжения
X в «плечах» образца в области А (см. рис. 94).
Колебания нагрузки на стационарном участке связаны с
характером раздира, зависящим от рецептуры резины, скорости
раздирания и температуры. Можно выделить три основных
типа раздира: 1) гладкий, обычно происходящий без отклонения
от первоначального направления раздирания и без
существенных колебаний нагрузки; 2) толчкообразный и 3)узловатый
раздир, при котором неоднократно изменяется направление
разрушения и происходят наиболее резкие колебания нагрузок.
5. Испытания резины на прочность
189
Второй тип раздира является переходным от первого к
третьему. Последний наиболее отчетливо проявляется в саженапол-
ненных резинах106-108.
В стационарном режиме при увеличении длины надреза с на
Ас объем резины 2Acha «переносится» из недеформированной
области В в область простого растяжения Л, проходя
стационарную область D сложнодеформированного состояния. При
^
Рис. 94. Образцы, деформируемые при
раздире «по типу простого
растяжениях:
F—сила; с—длина надреза; L, 2а,
h—соответственно длина, ширина и толщина образца;
¦4—области простого растяжения; В—недефор-
мнрованная область; D—область
сложно-напряженного состояния.
Рис. 95. Зависимость нагрузки F от
времени / при испытании образцов
«по типу простого растяжения».
этом работа затрачивается на раздир и на «перенос» резины в
область А, эквивалентный простому растяжению:
2FАсХ = ЯААс + 2Ла№ор.Дс
где Wop — удельная работа простого растяжения резины.
Отсюда характеристическая энергия раздира Н равна:
1 h
w°P-ah
*—
C9)
Размеры стандартных образцов подобраны таким образом,
что растяжение к в «плечах» образцов близко к единице, т. с
Wop. ~-0. В этом случае характеристическая энергия раздира
вычисляется непосредственно по стационарному значению силы F
(или ее усредненной величине) из выражения:
2F
D0)
Если характер раздирания образцов таков, что
первоначальное направление теряется, то применяется вариант нанесения
\90Гл. II. Опред. проч. и упруго-релаксрц. свойств резины при статич. нагр.
резины на жесткую резино-тканевую подложку толщиной 0,8—
0,9 мм. Свулканизованные пластины, состоящие из резино-тка-
невого и чисто резинового слоя, имеют толщину 2—2,5 мм.
Из них вдоль направления каландрования вырубаются образцы-
полоски длиной 120 мм и шириной 14 мм. Надрез посередине
образца вдоль длинной его оси наносится со стороны тканевой
подложки так, что прорезается вся тканевая часть и
незначительная доля резиновой; оставшаяся ненадрезанной резиновая
часть образца всегда имеет одинаковую толщину, независимо»
от общей толщины образца, что достигается с помощью
приспособления, показанного на рис. 96.
Рис. 96. Приспособление для надрезания образцов с тканевой
подложкой:
/—планка; 2—образец; 3—нож; 4, 5—основание; 6, 7, 9— винты; 8—держатель; 10—паз.
Незначительное надрезание резиновой части не сказывается
на результатах испытания. После надрезания резиновая часть
образца прорезается от руки целиком примерно на половину
длины образца.
Как видно из рис. 96, при надрезании образец 2 укладывает
ся в специальное углубление планки / приспособления
(шириной 14 мм), тканевой частью направленной к пазу 10 планки,
резиновой частью — на основание 4 приспособления. Планка
удерживается на основании 4 зажимными винтами 6 (без
заметного сжатия образца). Нож 3 устанавливается (по высоте
выступающей части) в держателе 8 винтом 9 и закрепляется
винтом 7. Основание 5 держателя имеет паз, стенки которого
служат направляющими при скольжении держателя 8 по план
ке / (а ножа — в пазу 10) во время прорезания образца.
Нижняя часть основания держателя упирается при этом в основание
4 приспособления, на котором лежит образец. Поскольку
положение края ножа фиксировано относительно нижней части ос-
6. Определение упруго-релаксационных свойств резины 191
нования державки, момно считать (пренебрегая сминанием
резины во время ее прорезания), что приспособление
обеспечивает постоянство «толщины» ненадрезанной части образца.
Обычно эта толщина выбирается равной 1 мм.
Испытание на образцах, деформируемых по типу простого
растяжения, помимо указанных выше, имеет то
преимущество, что результаты его мало зависят от формы вершины
надреза, поэтому последний вырубается одновременно с
образцом.
Важным требованием для получения правильных
показателей, как и во всяком другом испытании с колеблющимися
нагрузками, является применение разрывных машин с
безынерционными силоизмерителями.
Скорости растяжения при испытании выбираются
различными. Чем выше скорость испытания, тем, при прочих равных
условиях, глаже характер раздира и меньше колебания нагрузок.
Величина характеристической энергии раздира зависит
от*скорости раздирания.
6. ОПРЕДЕЛЕНИЕ УПРУГО-РЕЛАКСАЦИОННЫХ СВОЙСТВ РЕЗИНЫ
Определение упругих и деформационных характеристик
резины
Как указывалось в разделе 2 настоящей главы, подавляющее
большинство статических испытаний резины, нашедших
повсеместное применение, проводится в относительно небольшие
промежутки времени. При этом оценивается неравновесное
состояние резины, зависящее не только от упругих, Но и от
релаксационных свойств.
Основные характеристики упругих свойств получаются при
растяжении на разрывных машинах наряду с пределом
прочности при растяжении и относительным удлинением при разры-
ЕЄб9,8ідо9 Если разрывная машина снабжена самопишущим
приспособлением, записывается кривая деформация — нагрузка. Из
кривой или непосредственно при испытании находятся нагрузки
Ре при заданных степенях деформации є*, по которым
вычисляются условные напряжения f, выражаемые величиной нагрузки
Ре(кгс), отнесенной к площади So (см2) поперечного сечения
недеформированного образца в рабочем участке**.
* е=—т-5--100 (где /, /0—длина рабочего участка образца при и до
деформации).
** По ГОСТ 270—53, / условно называются «модулями при заданной
степени удлинения»; в новом ГОСТ88 это неправильное выражение изъято.
192/"ж Л. Опред: проч. и упруго-релаксрц. свойств резины при статич. нагр.
Истинное напряжение при удлинении є может быть
определено из выражения:
В принципе при этом же испытании могут быть определены
удлинения при заданных удельных нагрузках (условных
напряжениях).
Указанные характеристики могут использоваться и для
определения коэффициентов температуростойкости.
Поскольку разрывные нагрузки в резине существенно
отличаются от нагрузок, возникающих при небольших удлинениях
(менее 50—100%), на разрывных машинах с маятниковыми си-
„чоизмерителями нельзя использовать одну и ту же шкалу для
измерения обеих нагрузок, т. е. надежно оценить / попутно с
испытанием на предел прочности при разрыве. Вследствие этого,
а также из-за возможности одновременно провести большое
число опытов на конструктивно простых приборах возникла
самостоятельная методика определения неравновесного
модуля
по
Стандартное110 испытание на так называемой «модульной
рамке» (рис. 97, а) рассчитано на выдержку образцов в виде
полосок длиной 80—90 мм, шириной 10±0,2 мм и толщиной
2±0,3 мм при нормальных условиях под действием начальной
удельной нагрузки (рассчитанной на площадь поперечного
сечения образца в недеформированном состоянии) 10 кгс/см2 в
течение 15 мин. Измеряется растяжение рабочего участка
начальной длиной 50 мм с точностью до 0,5 мм.
Образцы вырубаются штанцевыми ножами шириной 10 мм
и измеряются по толщине с точностью до 0,01 мм (для расчета
площади поперечного сечения).
Образцы помещаются <в зажимы: верхние /, неподвижно
укрепленные на верхней поперечине 2, находящейся в стойках 3,
и нижние 4, к которым подвешены грузовые стержни 5 с
грузами 6, проходящие через направляющие в нижней поперечине 7.
Длину рабочего участка измеряют с точностью до 0,5 мм по
линейкам 8 прибора.
Модуль Ef вычисляется* по формуле:"
где Р — груз, кгс;
* В данном случае он представляет собой отношение условного
напряжения / (вычисленного на первоначальное сечение образца) к относительной де-
. 'і 'о
формации є=—-. .
6. Определение упруго-релаксационных свойств резины
193
к, Ьо, h — начальные (до начала испытания) длина, ширина
и толщина рабочего участка, образца, мм;
/] — длина рабочего участка по истечении 15-й минуты
действия груза, мм.
•А
9-
ш
ш
в
Рис. 97. Модульные рамки:
а —для определения модуля эластичности; б—для определения остаточного удлинения;
/. <—зажимы; 2. 7—поперечины; 3—стойки; 5—стержни; в—грузы; S—линейки; 9—ватерпас;
10— нониус; //—образцы; 12—гайки.
Если исходить из выражения а=Еаг то, принимая во
внимание, что истинное напряжение сг=/:A+є), получим:
Ріг
і-'в)
D3)
Несмотря на исключительную простоту испытания, оно йме
ет ряд существенных недостатков, основными из которых
являются нерегламентированная скорость приложения груза и
невозможность точного соблюдения времени для отсчета
удлинений.
Эти недостатки исключаются применением более
совершенной конструкции испытательного прибора Хольта, Кока и
Рота111-. На этом приборе образцы растягиваются со скоростью
4,5—5,5 м/мин до тех пор, пока не будет достигнуто удлинение,
соответствующее заданной нагрузке. В это мгновение грузы,
13—2406
194Гл. //. Опред. проч. и упруго-релаксац. свойств резины при статич. нагр.
обеспечивающие заданную нагрузку, свободно повисают на
образце и одновременно включается устройство, отсчитывающее
время действия нагрузки и сигнализирующее о моменте отсчета
удлинения.
Последний производится по миллиметровой линейке,
связывающей ручные индексы с помощью системы зеркал,
отражающих в отсчетное зеркало положение волосяной линии
верхнего ручного индекса, совпадающей с меткой рабочего участка
образца.
Отсчет расстояния между метками производится через
60±3 сек после приложения грузов. Поскольку начальное
расстояние между метками рабочего участка равно 100 мм,
удлинение вычисляется как разность (/—100), где / — отсчет на 60-й
секунде (в мм).
После измерения и подсчета площади поперечного
сечения находится необходимый груз по заданной
удельной нагрузке из расчета 5 кгс/см (на начальное сечение
образца).
Испытания на «модульной рамке» и приборе Хольта, Коха
и Рота112 производятся при комнатной температуре в
режиме заданной нагрузки, в короткие сроки, давая некоторую
условную суммарную характеристику упруго-релаксационных
сзойств.
Применение этих приборов не решает, однако, вопроса о
точном измерении нагрузок при малых удлинениях (до 50%). Вряд
ли целесообразно строить сколько-нибудь сложные приборы
специального назначения для получения подобного рода
условных характеристик. Представляется более перспективным
массовое использование разрывных машин с
усовершенствованными силоизмерителями, описанными выше (на стр. 131 —139),
обеспечивающими более широкие пределы измерения нагрузок
с одинаковой точностью по всей шкале.
Влияние скорости приложения нагрузки и неточности
времени отсчета менее существенно сказывается при длительных
испытаниях, например при определении условно-равновесного
модуля резин 115.'16.
Испытания на условно-равновесный модуль производятся
при 70 °С; образцы после 5 мин прогрева подвергаются
растяжению в течение 1 ч. Для наполненных резин применяется 50%
растяжения, а ненаполненных — 25%. Для испытания может
быть использован любой прибор, позволяющий измерять
релаксацию напряжения образцов-полосок при растяжении (см.
стр. 206). Имеются также варианты так называемой «модульной
рамки»П6, которые используются для измерения равновесного
модуля в режиме заданной растягивающей нагрузки. Измеряя
6. Определение упруго-релаксационных свойств реэинЫ 195
растягивающую силу (Р) через 1 ч нагружения, подсчитывают
условио-равновесный модуль по формуле D3). Если удается
произвести испытание до установления не меняющегося во
времени (равновесного) значения растягивающей силы, то
должно быть получено значение равновесного модуля. Однако
само определение равновесного значения в некоторых случаях
осложняется из-за возможности протекания очень медленных
релаксационных процессов; иногда исключается вследствие
параллельного хода, наряду с физической, химической релаксации
напряжения, как, например, у резин с полисульфидными
связями, и т. п.
По рекомендации НИИРП 117 следует, что в случае
завершения физической релаксации при одновременном протекании
химической релаксации в ненаполненных резинах зависимость
о—і выходит на прямую, экстраполируя которую до времени
^=0 (время начала нагружения), по отрезку, отсекаемому на
оси напряжений, равному а«,, можно найти равновесный
модуль ?'<х, = ооо/є. Приближенио-линейная зависимость 0 = 00041@
вытекает из более универсального для химической релаксации
экспоненциального закона, представленного формулой A9), при
условии //t<Cl -
Необходимо отметить, что для условных характеристик
модулей, получаемых в неравновесных режимах как при
заданной нагрузке по ГОСТ 210—53 и ASTM D1456—57Т и на
различных «модульных рамках», так и при заданном удлинении
важен режим нагружения, поскольку в неравновесном режиме
величина модуля зависит от выбора времени измерения и от
заданных параметров (т. е. от того, измеряется ли она при
ползучести или при релаксации напряжения). Какой из параметров
задан (напряжение или удлинение), не имеет значения только
при достижении истинно равновесного состояния, Если считать,
что химическая релаксация может с достаточной степенью
приближения описываться законом A9), по-видимому, для
нахождения Е^ целесообразно выбирать и в этом случае режим
заданного удлинения. К тому же при постоянной деформации
равновесие достигается быстрее, чем при постоянном
напряжении.
Согласно ГОСТ 9982—62 ||8, равновесный модуль
определяется при одноосном сжатии, однако как вследствие
указанных трудностей, так и из-за неоднородности практически
реализуемой деформации сжатия равновесный модуль сжатия
оказывается величиной, зависящей от размеров и формы образца и,
естественно,— степени его сжатия.
Испытания на сжатие не нашли столь широкого
распространения, как испытания на растяжение. ;
13*
\96Гл. II. Опред. проч. и упруго-релаксац. свойств резины при статич. нагр.
Объяснение этому обстоятельству можно найти в следующих
причинах.
Прежде всего из-за влияния трения образцов на торцах
нельзя реализовать однородную деформацию сжатия или
практически выделить однородно деформируемый участок образца,
как это делается при растяжении.
Чтобы получить более однородное сжатие, припудривают
торцы образцов тальком или смазывают вазелином, уменьшая
силы трения. Однако в этом случае при малейшем перекосе
(размещение не по центру или непараллельность сжимающих
площадок, неравномерность образца по высоте и т. п.) образцы
выскальзывают из площадок.
Другой подход заключается в том, что для полного
исключения скольжения на торцах делают сжимающие площадки
испытательного прибягра рифлеными, либо прокладывают между
торцами образца и площадками наждачную бумагу; в
некоторых случаях применяют привулканизацию образцов к
площадкам. В результате при сжатии цилиндрические образцы
принимают бочкообразную форму.
Точный анализ больших деформаций неоднородного сжатия
произвести чрезвычайно трудно. Практические^ результаты,
оцениваемые изменением «высоты» образца (расстояния между
сжимающими площадками) при определенной величине общей
сжимающей нагрузки, зависят не только от величины нагрузки
и времени сжатия, но и от размеров и формы применяемого
образца, т. е. являются условными показателями. Имеются
работы119' 122, в которых сделана попытка учета фактора формы и
экстраполяционных расчетов однородного сжатия на основании
данных неоднородного сжатия образцов с различным фактором
формы. Однако такое испытание в большинстве случаев
неудобно и слишком трудоемко.
Другая причина ограниченности применения метода
сжатия заключается в том, что при статическом (однократном)
сжатии практически трудно довести образцы до разрушения,
а, следовательно, и оценить их прочность.
Большие неудобства представляют также испытания на
сжатие для определения температуростойкости.
Прогрев цилиндрических образцов, прменяемых при
испытании на сжатие, занимает до 20 мин в термостате с
циркуляцией воздуха и более 1,5 ч — без циркуляции.
При этом может существенно сказаться искажающий эффект
старения; больше влияет на результаты теплопроводность
материала, из которого сделаны поверхности сжимающих
площадок, непосредственно соприкасающихся с опытными образцами.
При испытании на сжатие, по ГОСТ 265—41 12°, находятся:
6. Определение упруго-релаксационных свойств резины
197
1) относительная деформация сжатия га, вызываемая
заданной сжимающей нагрузкой Р и вычисляемая по формуле:
"П
-100%
D4)
где Но—высота образца до испытания, мм;
Н\ — высота образца под сжимающей нагрузкой, мм;
2) величина удельной нагрузки при за
данной деформации: _^f 2
г-к
D5)
где So—первоначальная площадь
поперечного сечения образца, см2;
Р — нагрузка при сжатии, кгс.
Испытание производится на разрывной
машине, в которую вместо зажимов
вставляется специальное приспособление,
называемое реверсором. Это приспособление
представляет собой две скользящие (рис.
98) друг в друге рамки. Одна рамка
образуется плитой 5, планкой 2 и колонками 3.
Она закрепляется вместо верхнего зажима
с помощью пальца /. На ней находится са-
моустанаЕливающаяся площадка 9 для
образца. Другая рамка состоит из плиты 4,
планки 8 и колонок 6 и закрепляется на
месте нижнего зажима пальцем 7. При
сжатии образца колонки 3 скользят в плите 4,
а коло'нки 6 — в плите 5.
Скорость движения верхней сжимающей
плиты равна 25 мм в минуту.
Образец имеет форму цилиндра высотой
#о = 38 мм, диаметром 32 мм и вулканизуется в специальных
формах.
Испытание можно производить двумя способами: либо до
достижения заданной нагрузки Р, показываемой силоизмерите-
лем, определяя высоту сжатого образца Н\ для вычисления
степени сжатия, либо до достижения заданной степени сжатия,
находя соответственно сжимающую нагрузку.
Для исключения существенного влияния повторных
деформаций вводится предварительная «тренировка»: сжатие одного об-
Рис. 98. Реверсор для
сжатия образцов на
разрывной машине:
/, 7—пальцы; 2, 8—планки;
3, 6—колонки; 4,
5—плиты: 9—самоустанавлнва-
ющаяся площадка.
198Гл. //. Опред. проч. и упруго-релаксрц. свойств резины при статич. нагр.
разца производят четыре раза, принимая во внимание только
четвертый результат.
Из других методов сжатия можно упомянуть двумерное
сжатие, часто реализуемое на практике при работе резиновых
изделий (манжет, армированных рукавов и т. п.I21.
Наряду с описанными методами определения модулей, в
контрольных лабораториях подготовительных цехов заводов
резиновой промышленности нашел широкое применение метод
контроля качества смешения (степени вулканизации) по
условному показателю — кольцевому модулю (ГОСТ 412—53) 123.
Соответствующий прибор показан на рис. 99.
7
и :д
Рис. 99. Прибор для определения кольцевого модуля:
/—ось; 2—стойка: 3—длинное плечо рычага; 4—подвеска; 5—груз: 6—держатель;
7—короткое плечо рычага; в—цилиндр; 9—арретир; 10— основание; //—шкала
На оси / между стойками 2, прикрепленными к основанию
10, находится рычаг 3 с большим плечом длиной 380 мм.
Острие рычага является указателем шкалы //,
представляющей собой дугу радиуса 380 мм, охватывающую угол 22 °30'
и разделенную на 15 равных делений. На расстояниях 65 мм
между собой и от оси рычага находятся гнезда, в которые
помещается подвеска 4 с грузами 5 весом 1 или 2 кгс.
Короткое плечо рычага 7 G3 мм) опирается на держатель
6, образуя с ним на конце цилиндр 8 длиной 8 мм. диаметром
Э±0,1 мм, на который надевается испытуемый
образец—кольцо. Образец имеет толщину 5 ±0,1 мм, внутренний диаметр
9,5 ±0,2 мм и наружный диаметр 35±0,2 мм. При подъеме
арретира 9 рычага образец растягивается.
Показания указателя (острия рычага) по шкале снимаются
через 3 сек.
Показатель кольцевого модуля обозначается тремя числами,
записанными в одну строчку и разделенными между собой
6. Определение упруго-релаксационных свойств резины
199
вертикальными черточками; из них первое число соответствует
порядковому номеру гнезда, второе — весу груза (в кгс), а
третье — делениям шкалы, отсчитываемым на 3-й секунде.
Испытание резины на гистерезис
Это испытание в свое время было распространено как метод
оценки механических потерь при циклических нагрузках.
Испытание производится на разрывной машине (ГОСТ 252—
53I24 или на специальной гистерезисной машине (ГОСТ 208—
63I25.
Испытание заключается в
растяжении образца с постоянной
скоростью до заданной степени
и последующем сокращении. При
этом записывается цикл
растяжение — сокращение.
Площади под полученными на
диаграмме кривыми (рис. 100)
пропорциональны: ABCFA —
работе, затраченной на растяжение,
EDCFE — работе, возвращенной
испытываемым образцом при его
сокращении, ABCDEA — работе,
рассеянной необратимо в виде
тепла (гистерезисным потерям
при деформации).
«Полезная упругость» резины
характеризуется отношением
работы, возвращенной
деформированным образцом, к общей
работе, затраченной на эту
деформацию.
Гистерезисные механические потери вычисляются как
отношение рассеянной работы к общей работе деформации.*
Площадь гистерезисной петли ABCDEA существенно
изменяется при повторных деформациях, особенно в первых циклах
удлинение — сокращение. Изменение связано как с накоплением
остаточной деформации (являющейся функцией общей степени
растяжения), так и с тиксотропними свойствами резин.
В дальнейшем результаты стабилизуются. Поэтому
целесообразно введение «тренировки», т. е. предварительных
повторных деформаций до заданной степени удлинения, применяемой
в конечном испытании. Достижение заданной степени при пред-
* Аналогичным образом проводятся испытания по DIN 5351012e.
С Г
Удлинение
Рис. 100. Диаграмма нагрузка
(напряжение)—удлинение,
получаемая в цикле растяжение—
восстановление с заданной
скоростью деформации:
ABCFA—работа растяжения; ABCDEA—
работа, рассеянная необратимо; EDCFE—
возвращенная работа.
200Гл. II. Опред. проч. и упруго-релаксрц. свойств резины при статич. нагр.
верительной деформации необходимо, так как стабилизация
происходит на том участке, на котором производилось
растяжение.
В настоящее время это испытание почти не применяется,
так как гораздо более полные и точные сведения о гистерезис -
ных свойствах резины могут быть получены при динамических
деформациях (см. главу IV).
Результаты испытания по ГОСТ 208—53 и ГОСТ 252—53
отличаются также от получаемых при гармоническом нагруже-
нии, так как испытания производятся при более низких
скоростях и сравнительно больших деформациях, при которых
имеют значение ориентационные эффекты «упорядочения»
структуры исследуемого материала.
Практическое значение преимущественно имеют
характеристики, получаемые при динамических испытаниях.
Определение остаточной деформации
Как это очевидно из рассмотрения упруго-релаксационных
свойств резины, проведенного в разделе 1 настоящей главы,
общая деформация, развивающаяся в процессе испытания, не
обязательно полностью обратима и, в зависимости от условий
опыта, может иметь значительную необратимую составляющую.
Выяснению природы деформации существенно помогают
измерения, производимые после снятия деформирующей нагрузки
и выдержки образца, в течение которой происходит
восстановление его формы. Определение остаточной деформации поэтому
в равной мере может быть названо испытанием на
восстанавливаемость резины.
Если приняты соответствующие меры для обеспечения
полного восстановления образца (чему способствуют достаточные
времена восстановления и повышенные температуры), можно
считать, что при этом находится истинное значение остаточной
деформации. Однако создать подобные условия восстановления
не всегда возможно и целесообразно; поскольку существенная
доля восстановления реализуется в начале этого процесса;
практически ограничиваются небольшими временами
восстановления.
Следует различать по крайней мере три типа остаточной
деформации, возникающих вследствие различных причин:
1) кажущаяся остаточная деформация, определяемая при
обычной температуре;
2) истинная остаточная деформация, связанная с
развитием химического течения;
6. Определение упруго-релаксационных свойств резины 201
3) кажущаяся остаточная деформация, или
«квазиостаточная» деформация, выражающая потерю резиной способности
к восстановлению при низких температурах в практически
реализуемые времена наблюдения и являющаяся следствием
механического стеклования.
Соответственно можно выделить три группы испытаний на
остаточную деформацию:
1) определение остаточной деформации после
кратковременных деформаций, практически не приводящих к потере
испытуемым материалом исходных свойств;
2) определение остаточной деформации после длительных
времен воздействия нагрузки, чаще всего при повышенных
температурах, а также в соответствующих агрессивных средах;
3) испытания на остаточную деформацию замороженной
резины.
Во всех случаях могут быть применены различные режимы
испытания (заданной скорости деформации, постоянной
нагрузки или степени деформации); при этом остаточная деформация
является функцией (в первом приближении — близкой к
линейной) общей величины деформации.
По существу вторая группа испытаний служит для оценки
старения резин в напряженном состоянии (см. главу VII).
Третья группа должна быть отнесена к методам оценки
морозостойкости резин (см. главу VIII).
К первой группе испытаний принадлежит определение
остаточного удлинения, производимое, по ГОСТ 270—53, через
1 мин после разрыва по расстоянию между метками рабочего
участка на сложенном из разорванных частей образце.
Относительное остаточное удлинение резины после разрыва
в процентах (вг) вычисляют по формуле:
02 = Ц^ - 100 D6)
где І2 — длина рабочего участка по двум сложенным вместе
частям разорванного образца;
/о— длина рабочего участка образца до испытания.
Такое определение мало точно и, кроме, того, условно, так
как резина за 1 мин при комнатной температуре не успевает
восстановиться полностью. Таким образом, фактически
замеряется некоторая кажущаяся остаточная деформация. Кроме
того, остаточное удлинение зависит от степени деформации и,
по существу, его нельзя сравнивать для различных резин,
имеющих разные разрывные удлинения.
Чтобы исключить влияние общей величины деформации на
показатель 0Z, в качестве дополнительной характеристики в но-
202Гл. //. Опред. проч. и упруго-релаксац. свойств резины при статич. нагр.
вом варианте ГОСТ69 рекомендована величина остаточного
удлинения, приведенная к общему удлинению при разрыве
6г/йг.
Если пренебречь нелинейностью зависимости остаточной
деформации от общей деформации, часто имеющей место на
практике, а также неточностью замера остаточной деформации,
приведенная величина является более объективной, чем
абсолютная величина относительной остаточной деформации.
Поскольку характеристики вг и вг/ег получаются попутно
с измерением предела прочности при растяжении, их можно
рассматривать как некоторые качественные показатели для
приближенной оценки степени вулканизации испытуемой
резины.
Получить зависимость остаточной деформации от общей
степени деформации можно в специальном испытании на
растяжение по ГОСТ 268—53.
При определении остаточного удлинения127 задается степень
растяжения образцов A00, 200 или 300% от первоначальной
длины рабочего участка). Образцы применяются те же, что для
определения модуля110. После 15 мин выдержки в растянутом
состоянии и 5 мин «отдыха» (при стандартной температуре
помещения) замеряют длину рабочего участка образца с
точностью до 0,5 мм, вычисляя относительное остаточное
удлинение (в %) по формуле:
Ае = ^> - 100 D7)
'и
где /о — начальная длина рабочего участка образца, мм;
/2 — то же после «отдыха».
По-видимому, правильнее считать остаточное удлинение по
отношению к общей деформации резины, поскольку остаточное
удлинение является функцией общей деформации:
?^ D8)
где U — длина рабочего участка образца в растянутом
состоянии, мм.
Прибор представляет разновидность «модульной рамки»
(см. рис. 97, б, стр. 193). Рамка состоит из стоек 3 и верхней 2
и нижней 7 перекладин (поперечин). Верхние зажимы
образцов неподвижно установлены на верхней перекладине. Степень
растяжения образцов // (длина рабочего участка 1\)
измеряется по линейке 8 с нониусом 10. Образцы устанавливаются в
6. Определение упруго-релаксационных свойств резины 203
растянутом состоянии путем закрепления гаек 12,/
навинчиваемых на стержни 5, несущие на себе нижние зажимы 4 и
упирающиеся в нижнюю перекладину 7 рамки.
Конструктивно простой прибор имеет существенные
недостатки: нерегламентированную скорость растяжения, малую
точность задания величины и времени деформации, отсутствие
термостатирования для использования широкого предела
температур испытания и возможности их более точного учета.
Необходимо дальнейшее совершенствование прибора и метода.
Соответствующий ГОСТ нуждается в пересмотре.
Измерение относительной остаточной деформации єост. и ее
зависимости от общей степени деформации может быть
произведено также при сжатии по ГОСТ 265—41, причем
єОст.= tfl/' • 100% » D9)
где Но — высота образца до испытания;
#2 — высота образца после прекращения действия
сжимающей нагрузки и одной минуты восстановления.
Скорость сжатия на реверсоре равна 25 мм/мин.
По существу, к первой группе методов определения
остаточной деформации или степени восстанавливаемости должно
быть отнесено и испытание по ГОСТ 259—41128 (определение
так называемой «эластичности» на эластометре Шора). При
этом в испытуемый образец вдавливается конец иглы
определенных размеров и находится величина восстановления резины
после освобождения иглы.
Прибор отличается от описываемого ниже твердомера Шора
(глава III) отсутствием пружины, передающей усилие на иглу.
В противоположность твердомеру Шора, эластометр дает
неточные результаты, поэтому испытание не получило
распространения. Давая к тому же условный показатель, оно не
может быть рекомендовано в дальнейшем*.
Вторая группа методов определения остаточной деформации,
появляющейся в результате необратимых изменений резины,
основана на применении деформаций растяжения и сжатия. В
данном случае, однако, нельзя рассчитывать на полную
корреляцию данных по сжатию и растяжению. Достаточно указать
хотя бы на такой фактор, как диффузия кислорода, которая
неодинакова для тонких образцов, применяемых при
растяжении, и массивных — при сжатии.
* К этой же группе методов относятся испытания по DIN 53511129.
Остаточные деформации измеряются после растяжения или сжатия (при заданной
степени деформации или заданной нагрузке), производимых в течение 1 ч или
24 ч при 20±2 °С, через 15 сек, 1 ч и 24 ч по снятии растягивающей нагрузки.
204Гл. //. Опред. проч. и упруго-релаксцц. свойств резины при статич. нагр.
Испытания на остаточное сжатие представляют вполне
самостоятельный интерес, относясь к специальной группе
методов при оценке резин, предназначенных для изделий типа уп-
лотнительных прокладок.
а б
Рис. 101. Приспособления для определения
остаточного сжатия (по ASTM, метод А):
а—с помощью предварительно калиброванной пружины; б—с
помощью некалиброванной пружины; /—гайки; 2, 4—плиты; 3—
образец; 5—шкала; 6—пружина.
По стандартам США (ASTM D575—46 и ASTM D395—55),
сжатие производят на специальных прессах или универсальных
разрывных машинах, имеющих сжимающие плиты
(траверсы) 130, 131
Образцы имеют форму цилиндра высотой 12,7 мм и
диаметром ~ 29 мм (площадью основания 1 дюйм2). Они
высверливаются цилиндрическим ножом из вулканизованных пластин
толщиной 12,7 мм или из готовых изделий, а также могут
нарезаться из стрежневидных вулканизованных заготовок,
полученных вулканизацией шприцованных резин в котле. В
последующем торцы нарезанных образцов подшлифовываются.
Сжатие используется в основном для определения
остаточной деформации.
На рис. 101 показано приспособление для определения
остаточной деформации после сжатия резиновых образцов при
постоянной нагрузке (метод А).
6. Определение упруго-релаксационных свойств резины
205
Tfctf
Рис. 102. Приспособление для
определения остаточного сжатия (noASTM, метод В):
/—плиты; 2—образцы; 3—гайки; 4—прокладки,
высота которых определяет степень сжатия образцов.
Сжатие осуществляется за счет деформации стальной
пружины.
Если пружина предварительно калибрована, выбирается ее
деформация, соответственно тем нагрузкам, которые задаются
для сжатия образцов. Для этого пользуются приспособлением,
изображенным на рис. 101,а, которое позволяет фиксировать
положение верхней (сжимающей) плиты 2 с помощью крет
пежных гаек 1, когда образцы 3 помещены между
сжимающими площадками, причем положение меток на нижней
(сжимающей) плите 4 указывает
по специальной шкале 5,
что достигнута
необходимая деформация
сжимающей пружины 6.
Если пружина не
калибрована,
приспособление, показанное на рис.
101, б131 вместе с
образцами 3, либо
непосредственно нагружается
калиброванными грузами,
либо помещается между
плитами пресса,
имеющего силоизмеритель. По
достижении заданной нагрузки положение верхней плиты 2
приспособления фиксируется крепежными гайками 1 так, чтобы
пружина сохранила степень сжатия, установившуюся на прессе.
Такое приспособление целесообразно применять для того, чтобы
в последующем выдерживать сжатые образцы в термостате, в
воздушной или какой-либо специальной среде и т. п. По ASTM,
образцы сжимаются нагрузкой в 181,5 кг и находятся при
полученной степени сжатия 22 ч при 70 °С или 70 ч при 100 °С.
Освобожденные образцы измеряют по высоте после
30-минутного «отдыха» на деревянных столах при стандартной
температуре, определяя таким образом Н2, и вычисляют
остаточное сжатие по формуле, аналогичной D9).
Помимо сжатия под заданной нагрузкой (метод А),
осуществляется сжатие до постоянной степени деформации (метод В),
для чего используется приспособление, устройство которого
ясно из рис. 102.
Степень сжатия выбирается в зависимости от твердости
резины: 40% сжатия при твердости (по Шору) 44 единицы и
ниже, 30%—при твердости 45—64, 25% —при 65—84 и 20% —
при 85 и выше.
Аналогичное испытание проводится по DIN 5351713?.
20бГл. //. Опред. проч. и упруго-релаксац. свойств- резины при статич. нагр.
Остаточное сжатие е^ст. по методу В вычисляется из
формулы:
= %'-%' • 100% E0)
Но — Пх
Выраженные по формулам D9) и E0) остаточные
деформации сжатия вост. иєоств одинаковой степени являются
условными величинами.
Следует указать, что в процессе испытания как по методу
А, так и по методу В в образцах сохраняется определенная
(«начальная») деформация сжатия, задаваемая положением
фиксированных плит, и происходит релаксация напряжения. В
первом случае образцы из различных резин имеют одинаковое
начальное напряжение и разную начальную деформацию, а во
втором — наоборот.
Остаточная деформация в принципе может развиться после
проведения испытаний на химическую релаксацию или
ползучесть по любому из методов, рассматриваемых ниже.
Испытания на релаксацию напряжения и ползучесть
Как уже было определено, релаксация и ползучесть
представляют собой процессы, приводящие к изменению во времени,
соответственно напряжения при заданной деформации или
деформации при заданном напряжении. В основе этих процессов
заложены как физические изменения, связанные с
установлением термодинамического равновесия между напряжением и
деформацией, так и химическое течение, обусловленное
разрушением химических связей в напряженном состоянии.
Естественно, при этом трудно выбрать такие условия,
чтобы в чистом виде наблюдать либо физическую, либо
химическую стороны процесса. Однако в большинстве случаев можно
обеспечить преимущественное протекание одной из них:
физической— при умеренных и низких температурах, а также в
инертных средах (азот, аргон), химической — при повышенных
температурах, в воздушной, кислородной и других средах.
Приборы с термокриокамерами пока еще, к сожалению, не
выпускаются в промышленных масштабах.
Методы испытаний на релаксацию напряжения и
ползучесть используются главным образом для оценки химической
стойкости резин.
Физическую релаксацию значительно более целесообразно
исследовать динамическими методами, дающими, как
указывалось выше, более полные и точные сведения об упруго-гистере-
зисных-свойствах резин (см. главу IV).
6. Определение упруго-релаксационных свойств резины
207
Первые простейшие приборы для измерения релаксации
напряжения и ползучести при сдвиге133'134 и при одноосном сжа-
тииізз-із7 подвергались неоднократному совершенствованию как
по линии автоматизации их работы13843, так и путем
применения более точных способов измерения сжимающей нагрузки144.
Тем не менее ряд этих приборов имеет принципиальные
недостатки (как, например, приборы рычажного типа для сжатия)
и дальнейшее их усвершенствование вряд ли целесообразно.
Рис. 103. Струбцина для сжатия при испытании
на релаксацию напряжения:
/—стержень; 2—бакелитовая чашка; 3—винт; 4—шариковая
втулка; 5—опора; 5—бакелитовая изоляция; 7—винт; 8—
электрическая проволока; 9—образец; 10—вкладыш;
//—верхняя пластина; 12—шайба; 13—основание; 14—гайка; 15—болт.
То же касается принципа сдвига в применении к большим
деформациям, где возникает специфическая трудность
надежного крепления образцов в приборе. Если производится привулка-
низация резины к площадкам (чаще всего металлическим), то,
наряду со сложностью изготовления образцов, недостатком
является возможность нарушения связи резина — площадка при
больших деформациях. Если привулканизация не применяется,
то необходимо использование рифленых площадок и поджатия;
последнее искажает деформацию, как и при одноосном сжатии,
что приводит к существенной зависимости показателей от
формы и размеров испытуемых образцов.
Измерение релаксации напряжения при одноосном сжатии
стандартизовано в США145-146.
Для испытания .применяется устройство (рис. 103),
позволяющее проводить исследования в различных условиях
(температурное воздействие, набухание в растворителях, зыдерживание
в инертных и агрессивных газовых средах и т. п.).
Образец 9 сжимается между стальными хромированными
поверхностями вкладыша 10, находящегося в основании 13
струбцины, и фланца стержня /, передающего давление на
208Гл. //. Опред.проч. и упруго-релаксрц. свойств резины при статич. нагр.
образец. Весь стержень 1, за исключением его фланца,
электрически изолирован бакелитовой прокладкой 6 от верхней
пластины // и может перемещаться вертикально в шариковой втулке
4 на опоре 5.
Сжатие образца лимитируется высотой ограничительных
шайб-прокладок 12 и поддерживается зажимными болтами 15
с гайками 14. Высота шайб 12 подбирается так, чтобы при
начальной высоте цилиндрического образца 12,7 мм
диаметром ~29 мм сжатие составляло 20%. Для измерения усилия,
возникающего в образцах при сжатии, необходимо приложить
к стержню / нагрузки, что производится с фиксированной
скоростью.
Когда сила реакции сжатого образца S уравновешивает
внешнюю нагрузку L и вес W стержня (точнее, превышает L +
+ W), фланец стержня смещается и контакт с верхней пластинкой
// нарушается, что вызывает электрический сигнал,
извещающий о моменте измерения нагрузки.
Методика измерения, рекомендованная ASTM D1390—56Т, заключается
в следующем.
После первого сигнала прекращают повышение нагрузки, пускают в ход
екундомер, закрепляют зажимные болты на струбцине, для чего прилагают
сращающий момент в 11,5 кгс-см; немедленно снимают нагрузку и через 3 мин.
ч±10 сек) вновь повторяют нагружение, определяя нагрузку S1 по сигналу.
(Затем струбцина с образцами выдерживается 1 ч при комнатной температуре
и 46 ч при 90±1 °С. После охлаждения в течение 5±0,5 ч описанным выше
способом определяется нагрузка S».
Релаксация напряжения вычисляется по формуле —Ц^—- -100% , т. е.
выражается как изменение нагрузки в процентах к начальному ее значению.
Следует отметить, что для осуществления сжатия с
заданной скоростью приложения нагрузки и измерения последней
требуется специальный прибор.
Релаксометр осевого сжатия147 с аналогичным зажимным
устройством может быть использован при испытании по ГОСТ
9982—62118.
Применяются цилиндрические образцы диаметром 8—10 мм
и высотой 10 ±0,2 мм.
Рекомендуется выбирать степени сжатия 2 =-°Г~ * (где h0 и
fti —высоты образца начальная и в сжатом состоянии), равные
20, 30 и 40%. Измерения сжимающей нагрузки производятся
через 3, 10г 15. 60, 100, 150 мин после начала сжатия до тех
пор,пока не будет достигнута равновесная величина,
подразумевая нагрузку, которая сохраняется постоянной при двух
последующих измерениях.
6. Определение упруго-релаксационных свойств резины 209
Скорость релаксации напряжения характеризуется
величиной.
д-
g^2 — lg'l)
где стз — напряжение через 3 мин после сжатия; ст^ и at —
то же через /] и І2 мин; обычно выбираются tx = 10 мин и t\ =
= 100 мин, при этом (lg^2—lg^i) = l.
Испытание на релаксацию напряжения при осевом сжатии,
проводимое по ГОСТ 9982—62, может быть использовано для
определения химической релаксации.
В отличие от метода ASTM D1390—56Т, дающего некоторый
условный показатель, в основу вычислений по ГОСТ 9982—62
положены экспериментальные результаты, подтверждающие экс-
поненц пльный закон химической релаксации. Испытание
представляет вполне самостоятельный интерес для оценки ряда
резин (типа прокладочных).
По новому проекту ГОСТ148, испытание должно
производиться на образцах и приборе, удовлетворяющих требованиям ГОСТ
9982—62; измерения напряжения производятся после
двухчасовой выдержки образцов в струбцине при комнатной
температуре до старения и после определенных сроков старения.
Рекомендуется применять: для резин на основе НК температуры
70 °С или 100 °С, проводя измерения соответственно через 24
или 6 ч; для резин на основе синтетических каучуков общего
назначения — 100, ПО и 130°С (измеряя напряжения
соответственно через 24, 6 и 3 ч); для резин на основе теплостойких
полимеров— 150, 200 и 250 °С (время измерений —
соответственно через 24, 12 и 3 ч).
Измерение релаксации напряжения при сжатии в принципе
можно производить на разрывных машинах с жестким
динамометром и приспособлениями типа реверсора, причем, чтобы
избежать искажения нагрузки, особое внимание должно быть
уделено отсутствию трения при скольжении колонок в плитах
(планках).
Методы изгиба и кручения14952 применяются главным
образом при испытаниях эбонита и пластиков или мягких резин
при низких температурах (в застеклованном состоянии). Так,
торкьюометр149, показанный на рис. 104, дает возможность
измерить релаксацию напряжений при низких температурах.
Во время измерения образцы остаются в охлаждающей
среде. В индивидуальные держатели / из алюминиевых листов
помещен образец 2 и закручен до определенной степени; держатели
укреплены в нижей части рамки прибора. Фигурный башмак 3
у верхнего конца образца 2 входит в вилку 4 вертикального
14-2406
210Гл. II. Опред. проч. и упруго'реяаксцц. свойств резины при статич. нагр.
стержня 5. На верхнем конце стержня находится кольцо с
регулировочным винтом 6, контактирующим с электрическим
контуром, питаемым от сухого элемента 7. Для проведения
измерения освобождают верхний конец образца 2, связанный с
башмаком 3; при этом раскручивающий момент в образце
передается по оси стержня 5, поворачивая
кольцо 8 до контакта с
ограничительным упором 9. Уравновешивание
этого момента производится
перемещением по блоку 10 весового лотка // на
цепи 12 до размыкания контакта
между кольцом 8 и упором 9,
указываемого измерителем 13. По шкале 14 от-
считывается изменение в моменте
вращения.
На рис, 105 изображена схема
прибора для испытаний цилиндрических
образцов на ползучесть методом
кручения 15°.
Резиновые образцы / представляют
собой толстостенные вакуумные
труб.? ки, в конце которых вставляются
металлические цилиндры, расширяющие
эти концы. Один конец закрепляется
в неподвижном держателе 2, а
другой — в подвижном 3 и закручивается
грузом 7, висящим на нити, огибающей
шкив 5. Последний сидит на патрубке
6, связанном с держателем 3. Для
уменьшения трения применяют
шарикоподшипники 4. Изменение угла
закручивания образца под действием
постоянного груза измеряется
поворотом зеркальца 8, отражающего луч,
проходящий через оптическую систему 9 от источника света 10.
на щель 11 фоторегистрационного устройства и барабан 12 со
светочувствительной бумагой либо на какую-нибудь иную
шкалу деформации.
Наибольшее распространение получили методы измерения
ползучести и релаксации при растяжении, несмотря на то что
режим испытания мало соответствует эксплуатационным
условиям работы резиновых изделий. Эти методы отличаются
своей простотой и точностью.
Измерение ползучести при стандартной температуре
помещения практически не сталкивается ни с какими трудностями, так
Рис. 104. Торкьюометр:
/—держатели; 2—образец; 3—фв-
гурныв башмак; 4—вилка;
5—стержень; Є—винт; 7—сухой элемент;
в—кольцо; 9—упор; 10—блок; И—
лоток; 12—цепь; IS—измеритель;
14—шкала.
6. Определение упруго-релаксационных свойств резины
211
как может быть реализовано при непосредственном
подвешивании грузов к образцам в виде двусторонних лопаток или
посредством рычага153-166. Производятся измерения расстояния
между метками рабочего участка во времени на приборе типа
модульной рамки.
Ю
12
Рис. 105. Прибор для измерения ползучести при кручении:
/—образцы; 2, 3—держатели; 4—подшипниковые опоры; 5—шкив; ff—патрубок;
7—груз; S—зеркало: 9—оптическая система; 10—источник света; //—щель;
12—^барабан.
Испытание на растяжение при повышенных температурах
по сравнению с другими методами имеет несомненное
преимущество, так как прогрев тонких образцов в виде колец или
двусторонних лопаток, применяемых для этой цели, происходит
значительно равномернее и быстрее, в течение 3—5 мин.
Поскольку в термостате неудобно154 производить
непосредственное измерение расстояния между метками образца, не имея
для этого специальных тензометров, прибегают к расчету
деформации по смещению зажимов, для чего пользуются
кольцевыми образцами159'161, на которых исключено выползание. За
метками образца-полоски или образца в виде двусторонней
лопатки наблюдают через стеклянные дверцы (окошки),
применяя, например, катетометры162. Возможен вариант вычисления
деформации по смещению зажимов, если используются невы-
ползающие образцы с наплывами.
Следует отметить, что тонкие образцы характеризуются
большим отношением поверхности к объему и скорее окисляют-
14*
212Гл. //. Опред. проч. и упруго-релаксац. свойств резины при статич. нагр.
ся, поэтому при испытании на старение в напряженном
состоянии также следует предпочесть метод растяжения150.
Методом растяжения довольно просто испытывать
образцы не только под действием постоянной нагрузки, но и под
действием постоянного напряжения.
Для этого можно пользоваться погружающимися в жидкость
фигурными грузами переменного сечения, рассчитанными так,
что гидростатическая подъемная сила полностью компенсирует
увеличение напряжения в образцах при их растяжении.
Рис. 106. Установка НИИШП для испытания на
ползучесть при растяжении кольцевых образцов при
заданной нагрузке или постоянном напряжении:
/—подвеска; 2—груз; 3—термостат; 4—измерительные линейки; 5—
нижние ролики; 6—верхние ролики; 7—планка рамки; 8—вентилятор:
9—термометр; 10—контактный термометр; //—винты; 12—прижнм-
иая планка; 13—фигурный груз. Справа даны размеры верхних и
нижних роликов.
Для этого следует учесть, что глубина погружения равна
удлинению образца, и считать, что деформация резины
происходит при сохранении объема158-159. Площадь поперечного сече-
Р /
ния 5 груза Ро должна быть равна S =
где /0 и /-—
длина рабочего участка недеформированного и
деформированного образца соответственно: р— плотность жидкости, в
которую погружается груз массой Ро-
Схема подобной установки с фигурными грузами
изображена рис. 106159.
6. Определение упруго-релаксационных свойств резины 213
На этой установке можно также производить испытания на
ползучесть при постоянной нагрузке165.
Испытание на ползучесть согласно методу НИИШП159,
положенному в основу отечественного стандарта165, производится
на кольцевых образцах внешним диаметром D = 56 мм и
внутренним диаметром d=52 мм, толщиной t=2±0,3 мм.
Образцы вырубаются из пластин круглыми штанцевыми
ножами с центрированными режущими кромками.
На рис. 106 приведена схема установки НИИШП159,
конструкция и размеры роликов, принятые в стандарте165.
В термостате 3 на рамке 7 закрепляются неподвижно
верхние ролики 6. Соответствующие им пары нижних роликов 5
находятся на легких измерительных линейках 4, проходящих
через отверстия в дне термостата и с помощью винтов //
закрепляемых между передней и задней планками 12.
Для испытания образцов рассчитывают величину Р груза 2,
который необходимо поместить на подвеску / каждой линейки 4:
чтобы начальная удельная нагрузка, приложенная к образцу,
равнялась р:
p = [p{D—d)t—pa]
где Рз — вес линейки 4 с роликами и подвеской /.
Удельная нагрузка, как и температура, общее время
испытания и времена произведения отсчетов удлинений образцов
задаются. Время испытания должно быть таким, чтобы
относительное перемещение роликов вследствие удлинения образца
составляло не менее 20 мм; за это время должно быть
произведено не менее семи отсчетов удлинений.
Когда в термостате установится заданная температура, ре
гулируемая контактным термометром 10 (или другим
терморегулятором) и контролируемая термометром 9* (слои нагретого
воздуха перемешиваются вентилятором 8), на ролики, при
расстоянии между осями верхних и нижних роликов 68,5 мм,
надеваются образцы, термостат закрывается и последующее
наблюдение за правильным положением образцов производится
через стеклянную дверцу.
После прогрева образцов не менее 3 и не более 10 мин
освобождают винты 11, при этом линейки с грузами повисают на
образцах. Через 60 сек после приложения нагрузки
производится первый отсчет деления шкалы линейки 4 относительно
нижнего края зажимаемой планки 12.
* Температура в рабочем объеме термостата должна поддерживаться с
точностью ±1 "С при температурах до 150 °С и ±2 °С при температурах до
¦лои С.
214 Гл. II. Опред. проч. и упруго-релаксац. свойств резины при статич. нагр.
По истечении заданного времени испытания образцы
разгружаются и «отдыхают» при температуре 15—25 °С не менее 24 ч.
Затем производится замер длины «отдохнувшего»
образца-кольца в выпрямленном состоянии.
Удлинение (в %) ко времени t от момента приложения
нагрузки вычисляется по формуле:
е = 2(/'-/о) • юо
м>
где Lo— длина недеформированного кольцевого образца по
средней окружности, мм;
/о — нулевой отсчет по шкале (в мм) при расстоянии
между осями верхних и нижних роликов 68,5 мм;
lt — отсчет по шкале (в мм) ко времени t.
Общая деформация ползучести (в %) за время t равна:
Ut=(etSl) = JhzdiL
где єі — удлинение образца за первые 60 сек;
h — отсчет по шкале через 60 сек от начала опыта, мм.
Относительная деформация ползучести (в %) за время t
равна:
Результаты испытания на ползучесть выражаются в виде
кривой относительная деформация ползучести — логарифм
времени*.
Характеристикой старения является остаточная деформация,
вычисляемая (в %) по формуле:
ОД = L~L° ¦ 100
где L — длина «отдохнувшего» после испытания образца.
Когда ОД стремится к П, это означает, что резины в данных
условиях испытания имеют малое сопротивление старению. Чем
меньше отношение ОД/П, тем выше сопротивление резин
старению.
* Построение кривой основано иа том предложении, что наклон
конечного прямолинейного ее участка характеризует химическое течение, и только
этот метод выраясения результатов принят ASTM D10206—52Т166. Однако
следует считать, что он мало точен, и проще н надежнее судить о развитии
необратимых процессов по показателю старения ОД/П-100.
6. Определение упруго-релаксационных свойств резины
215
Отношение:
. 100 —
2A1
называется показателем старения по ползучести.
Разброс показателей испытания, получаемых при
определении ползучести, существенно зависит от применяемых резин.
Установлено159, что для испытания с
точностью до 10% необходимо провести не менее
6 параллельных опытов.
Для сохранения постоянства напряжения
при растяжении, помимо фигурных грузов,
применяется приспособление рычажного
типа61- 160, принцип работы которого очевиден из
рис. 107.
Профиль фигурной пластины,
представляющей собой переменное плечо рычага,
рассчитывают из соотношения:
1
Рис. 107.
Приспособление для
поддержания
постоянного напряжен ия в
образцах при
растяжении :
Р—гру в ; г—радиус
круглой части диска;
Л—переменный радиус
диска; R—проекция
радиуса; О—образец.
где є — относительное удлинение образца.
Прибор НИИРП160 (рис. 108),
отличающийся компактностью, позволяет производить
испытания как в воздухе, так и в различных
средах одновременно до восьми образцов при
нагрузках до 1,5 кгс и повышенных
температурах.
В термостатированный стакан, заполненный определенной
средой, помещаются образцы 5 в виде двусторонних лопаток,
находящиеся в зажимах 6, 22. Нижние зажимы 22 неподвижно
устанавливаются винтами в площадке 4, которая с помощью
стержня 21 крепится на диске 8. Верхние зажимы 6,
уравновешенные противовесами 7, через стальные ленты 20 и маховики
15 соединены с фигурными пластинами 11, уравновешенными
противовесами 16. Оси 17 этих пластин-рычагов, на которых
подвешены грузы 3, вращаются в подшипниках, запрессованных
в стойках 19. Стойки 19 также крепятся на диске 8. Диск 5
на стойках 23 установлен в основании-диске 2. Система
диски 8, 2 — стойки 23 составляет каркас прибора. Во время
деформации образцов 5 под действием грузов 3 фигурные
пластины 11 поворачиваются. При этом соответственно удлинению
рабочего участка образца меняется плечо рычага так, что
напряжение в образце сохраняется постоянным. Повороты пластин 11
216 Гл. //. Опред. проч. и упруго-релаксац. свойств резины при статич. нагр.
отсчитываются по лимбу 10, находящемуся на оси 17 пластин
вместе с роликом 9 для противовеса 7 и маховиком 15, а также
записываются пером 12 (уравновешенным противовесом 14) на
вращаемом часовым
механизмом сменном
барабане 13, ось которого
крепится на диске 8.
Для испытания на
релаксацию напряжения
при растяжении
применяется «динамометр»
типа Поляни (рис. 109)
167
Рис. 108. Установка НИИРП для
определения ползучести в режиме заданного
напряжения и различных средах:
/—уровень; 2—нижний диск; 3—грузы; 4—площадка;
6—образцы; 6—верхние зажимы; 7, 14,
16—противовесы; в—верхний диск; 9—ролик; 10—лимб;
11—фигурная пластина; 12—перо; 13—сменный барабан;
15—маховик; 17—ось; 18—подшипник; 19—стойка;
20—стальная лента; 21—стержень; 22—нижние
зажимы; 23—стойки.
Рис. 109. Динамометр ВХОим.
Менделеева (типа Поляни):
/—перекладина; 2—упругая плоская
пружина; Л—опора; 4, 6—зажим; 5—
стойки; 7—траверса; в—ходовой винт;
9—колонки; 10—разрезная гайка; //—
червяк; /2—червячная шестерня; 13—
шкала; 14—основание.
На массивном диске-основании 14 установлены две
пустотелые колонки 9, внутри которых могут перемещаться стойки 5.
соединенные сверху перекладиной /. На перекладине имеется:
6. Определение упруго-релаксационных свойств резины 217
стальная плоская пружина 2 (сменная), которая расположена
на призматических опорах 3 и в углубление которой
вставляется острие рамки, несущей на себе штырь с верхним зажимом
образца 4. Нижний зажим 6 находится на траверсе 7,
перемещаемой вверх и вниз ходовым винтом 8, вращаемым от мотора
через ременную передачу со шкивами, червяк 11 и червячную
шестерню 12. Перемещение траверсы 7 с зажимом 6 отмечается
по миллиметровой шкале 13. На червячной шестерне 12
имеется лимб с ценой деления 0,01 мм (винт 8 имеет резьбу шагом
в 1 мм, поэтому один оборот лимба червячной шестерни 12 от-
Еечает одному миллиметру хода винта в вертикальном
направлении). Разрезная гайка 10 служит для закрепления и
освобождения винта. При освобождении винта его можно поднимать,
с кареткой вручную. Динамометр рассчитан на три скорости
движения нижнего зажима: 1, 4 и 10 мм/мин.
Для испытания при высоких или низких температурах
образцы с зажимами помещаются обычно в стеклянный сосуд с
рубашкой, в которой циркулирует нагретая или охлажденная
жидкость.
Измерение напряжений, возникающих при растяжении
образцов, производится по деформации пружины 2. Деформация
пружины с точностью до 0,01 мм измеряется микрометром; она
также может быть измерена оптическим путем168'169. Следует
отметить, что в принципе здесь может быть использована и
электронная система.
Пределы измеряемых нагрузок могут быть изменены не
только сменой пружин, но и на одной и той же пружине изменением
ее эффективной длины (расстояния между опорами <?), для
чего опоры делают передвижными. Поскольку прогиб пружины
невелик по сравнению с деформацией образца, при расчете
удлинения образца его можно не учитывать.
Динамометр типа Поляни, помимо своего непосредственного
назначения для измерения релаксации напряжения, может быть
использован как маломощная разрывная машина для
небольших образцов при испытании на низких скоростях.
Преимущества динамометра этого типа заключаются в
возможности установления заданной степени деформации при
постоянной скорости растяжения и в осуществлении
непрерывного наблюдения за релаксацией напряжения. •
По сравнению с описанными приборами значительно
больший интерес представляет релаксометр ВНИИСК170, в основу
которого положены рычажные весы, имеющие автоматическое
уравновешивание (рис. 110).
Одно плечо коромысла / связано с верхним зажимом 4
образца 3. На другом плече подвешена чашечка с цепочкой //. Обра-
218 Гл. II. Опред. проч. и упруго-релаксац. свойств резины при статич. нагр.
зец растягивается перемещением нижнего зажима 5 по
направляющему стержню 6. По достижении заданной деформации
нижний зажим закрепляется упорной муфтой 7 с
микрометрической нагрузкой. При релаксации напряжения в растянутом
образце коромысло отклоняется и замыкается контакт-упор 2
правого плеча, включается мотор, связанный через редуктор 9
со звездочкой 10, на которую накинута цепочка //. Вращение
мотора продолжается, пока цепочка разгрузит чашечку
настолько, что разомкнётся контакт. Отклонение коромысла влево не
может произойти, так как замкнется контакт-упор 2 левого
плеча и на чашечку вернется часть цепочки.
с 5 и , г г
Рис. 110. Релаксометр ВНИИСК:
/—коромысло; 2—упор; 3—образец; 4, і—
зажимы; 6—стержень; 7—упорная муфта;
в—мотор: 9—редуктор; 10—звездочка; 11—
цепочка; 12—счетчик оборотов.
Рис. 111. Наклонный релаксометр:
/—рамка; 2—кольцевой образец: Л—тележка с
грузами; 4—кнопка; 5—пружинный контакт;
б—выступ; 7—шкала; в—кривошип.
Таким образом автоматически непрерывно поддерживается
равновесие коромысла. Вращение звездочки 10 с цепочкой //
отсчитывается счетчиком оборотов 12, который может быть
проградуирован в единицах растягивающего образец усилия.
Рассмотренные приборы имеют такие недостатки, как
неравномерное распределение температур, а также трудность
герметизирования рабочей камеры для испытания образцов в
различных средах. Для снятия химической релаксации напряжения в
различных газах и жидкостях более удобны наклонные релаксо-
метрыш~ш типа, изображенного на рис 111.
Кольцевой образец 2 одевается на ролики, один из которых
прикреплен к неподвижной стеклянной рамке /, а другой — к
6. Определение упруго-релаксационных свойств резины 219
тележке с грузами 3. Устройство заключено в герметически
закрывающуюся наклонную стеклянную трубку, где может
создаваться любая среда.
Нагрузка, растягивающая образец, равна весу тележки с
грузами fo, умноженному на синус угла наклона трубки (sina0).
Наклон трубки может меняться с помощью кривошипа 8,
связанного с червячной передачей, и подбирается так, чтобы
движение каретки при растяжении образца прекратилось, когда
кнопка 4 на ее конце коснется пружинного контакта 5 на
выступающей части 6 нижнего конца рамки /. Выступы 6 —
сменные, устанавливаются в соответствии с заданным процентом
растяжения (от 0 до 200%). По мере релаксации напряжения
нагрузка, вызывающая заданную степень растяжения,
уменьшается. Отсчет нагрузки производится путем изменения угла
наклона трубки до тех пор, пока не прервется контакт между
4 и 5; в этом положении
t t sin a
Угол а находится по дуговой шкале 7 с точностью до 0,1 °.
Аппарат установлен в термостате с двойной стеклянной
дверцей, вентиляцией для равномерного распределения
нагретого воздуха и термопарами для измерения температуры в
образце. Точность поддержания температуры ±0,3°С.
Недостатком наклонных релаксометров является
сравнительно малая чувствительность174.
В ряде случаев для испытания в газовых средах
применяется растяжение с помощью спиральной пружины175'176.
В растянутом образце поддерживается постоянная степень
деформации, для чего со временем, поскольку релаксирует
напряжение, приходится уменьшать степень растяжения
спиральной пружины, связанной с верхним подвижным зажимом.
Деформация пружины, пропорциональная нагрузке в образце,
определяется с помощью катетометра.
Более точным является поплавковый динамометр
(рис. I12I74.
Кольцевой образец 3 помещается на крючках неподвижного
2 и подвижного 6 держателей, в герметически закрытой
крышкой / стеклянной трубке 5, обогреваемой жидкостью, которая
циркулирует от ультратермостата типа Гепплера. В трубке
может создаваться вакуум и нагнетаться под давлением
инертный га:1,, кислород и т. п.
Нижний держатель 6 соединен с поплавком 7 и в
промежутках между измерениями нагрузки заперт кольцом так, чтобы
220 Гл. II. Опред. проч. и упруго-релаксац. свойств резины при статич. нагр.
обеспечить постоянную степень растяжения образца,
отсчитываемую по шкале 8. Поплавок находится в поплавковой
камере 9. Если масса поплавка тп, площадь поперечного
сечения S, то по глубине погружения h поплавка (при
освобожденном нижнем держателе) в жидкость (ртуть или другая жид-
К потенциометру
К системе
питания и
автоматическому
потенциометру
13
Рис. 112. Поплавковый
релаксометр:
/—крышка". 2, 5—держатели; 3—образец;
4—рубашка с обогревательной жидкостью;
5—трубка; 7—поплавок; 8—шкала;
9—поплавковая камера; 10—шланг; 11,
13—система для перемещения баллона; 12—бал-
К высоко -
вакуумнії
7 системе
-»-
Нультратермостату
Кулыпратермо -
" "— стату
Рис. 113. Релаксометр растяжения:
/—крышка; 2, 3—тензодатчики;
4—динамометрическая пружина; 5, 6—отводы;
7—цилиндр; 8—рубашка; 9—груз; 10—трос; //, 13—
зажимы; 12—образец; 14—штанга;
/5—термопара; 16—пробка; 17—крючок.
кость, не взаимодействующая с резиной) плотностью р,
можно определить усилие F, деформирующее испытуемый образец:
где g — ускорение силы тяжести.
Уровень жидкости может изменяться в зависимости от
выбранной степени растяжения образца перемещением баллона 12,
6. Определение упруго-релаксационных свойств резины 221
соединенного с поплавковой камерой гибким шлангом 10,
системой 11, 13.
Описанная конструкция неудобна с точки зрения техники
безопасности вследствие использования ртути в качестве
рабочей жидкости.
Кроме того, представляют интерес приборы, позволяющие
производить длительное испытание на релаксацию без
непосредственного участия исследователя, пользуясь автоматической
записью.
С развитием техники использования электронных силоизме-
рителей последние, по-видимому, будут заменять описанные
выше типы динамометров, становясь основной аппаратурой для
измерения релаксации напряжения. Одна из моделей релаксо-
метров растяжения с электронным силоизмерителем применена
в НИИШП177 (рис. 113).
Образец 12 в зажимах // и 13 растянут до заданной
степени и находится в заполненном газом молибденовом цилиндре 7.
имеющем рубашку 8 для обогрева от ультратермостата. В
притертую крышку / впаяны отвод 5 для закрепления
динамометрической пружины 4, измеряющей нагрузку в образце и
связанной с крючком 17, на которой посредством штанги подвешен
верхний зажим 13, и термопара 15, показывающая температуру
в цилиндре. Цилиндр наполняют газом через отвод, в который
вставляется пришлифованная пробка 16; вращением последней
натягивается тросик 10, перемещающий нижний зажим 13 для
растяжения образца.
Электронный силоизмеритель приспособлен в НИИРП и к
прибору, описанному в главе VII (см. рис. 236I78.
Промышленный образец прибора создается Ивановским заводом
измерительных приборов.
Подводя итоги по испытаниям на релаксацию напряжения
и ползучесть, необходимо отметить общую тенденцию создания
автоматизированных приборов, в частности основанных на
применении электронных силоизмерителей. Такая тенденция
полностью оправдана, особенно при относительно длительных
испытаниях. При этом стремятся не только расширить
температурные пределы измерений, но и использовать возможности
изучения влияния различных сред (инертных, воздушных,
агрессивных).
По существу, общепризнано, что растяжение является
наиболее удобным видом деформации как для практической
реализации однородной деформации, так и для осуществления режима
заданного напряжения. Кроме того, применение тонких
образцов предпочтительно при старении резины в напряженном
состоянии; в этом отношении метод растяжения может считаться
222 Гл. II. Опред. проч. и упруго-релаксац. свойств резины при статич. нагр.
более универсальным, в то время как, например, методы сжатия
или сдвига могут иметь преимущества только при специальных
испытаниях резин узкого назначения.
Наконец, методы изгиба и кручения получили некоторое
распространение для определения морозостойкости резин по
релаксации напряжения или ползучести (см. главу VIII).
ЛИТЕРАТУРА
1. В. Л. Б и д е р м а н, Вопросы расчета резиновых деталей, в сб. сРас-
четы на прочность», вып. 3, Машгиз, 1958, стр. 40; С. Д. П о н о м а-
рев, В. Л. Бидерман и др., Расчеты на прочность в
машиностроении, т. II, Машгиз, 1956.
2. Л. Т р е л о а р, Физика упругости каучука, перев. с англ. под ред.
Е. В. Кувшннского, Издатинлит, 1953.
3. Г. М. Бартенев, Коллоид, ж., II, 57 A950).
4. А. V. Т о b о 1 s k у, R. P. Andrews, J. Chera. Phys., 13, 3 A945).
5. Б. А. Догадки н, М. М. Резниковский, Успехи химии,
24, 7 A955).
6. A. Angioletti, Н. Holfoibeth, Kautschuk u. Gummi, 6,
WT171 A953).
7. Г. М. Бартенев, Г. И. Белостоцкая, ЖТФ, 24, 1773-
A954).
8. Ю. С. Л а з у р к и н, Р. Л. Ф о г е л ь с о н, ЖТФ, 21, 267 A951).
9. А. П. Александров, Труды 1 и II конференции по
высокомолекулярным соединениям. Изд. АН СССР, 1945.
10. Г. М. Бартенев, Успехи химии. 24, 815 A955).
11. В. Е. Гуль, И. М. Ч е р н и н, Высокомол. соед., 2, 1613A960).
12. Г. М. Бартенев, ДАН СССР, 84, 487 A952).
13. R. S. R і v І і п, A. G. Thomas, J. Polymer Sei., 10. 291 A953);
A. G. Thomas, J. Polymer Sei., 18, 177 A955).
14. M. M. P є з и и к о в с к и й. А. И. Л у к о м с к а я. ДАН СССР. 128,
75 A959).
15. С. Н. Ж у р к о в, Б. И. Н а р з у л л а е в, ЖТФ, 23, 1677 A953).
16. Г. М. Бартенев, Л. С. Б р ю х а и о в а, ЖТФ. 28, 2«7 A958).
17. В. Е. Гуль, Успехи химии и технологии полимерон. Госхимиздат,.
1957, стр. 302.
18. Г. М. Бартенев, А. В. Буров, ЖТФ. 28, 287 A958)
19. С. Н. Ж У Р к о в, Э. И. Т о м а ш е в с к и й, в сб «Некоторые
проблемы прочности твердого тела», Изд. АН СССР. 1959. сгр 68 :
20. Б. А. Догадки н. Д. М. С а н д о м и р с к и й. Коллоид ж . 13,
267 A951).
21. Т. L. Smith. J. Polymer Sei.. 32, 99 A958).
22. В. Е. Гуль, Н. Я. С и д н е в а. Б А. Д о г а д к и и. Коллоид.
ж., 13, 422 A951).
23. P. F I о г у. Ind. Eng. Chem., 38. 417 A946).
24. А. П. А л е к с а и д р о it. Ю. С. Л а з у р к и и. ДАН СССР. 45,
308 A944).
25. В. Е. Гуль, Х111 Менделеевский съезд, Рефераты докладов и
сообщений, № 6, Изд. АН СССР. 1959, стр. 91.
26. М. А. Ц ы д з и к. С. А. Иванова, А. И. Л у к о и t к а я,
Т. Н. Басаргина, А. Д. Пояркова, Труды НИИЩП,
сб. 4, Госхимиздат, 1957, стр. 126.
Литература 223
27. Г. Ш. И з р а е л и т, Механические испытания резины и каучука,
гл. И, Госхимиздат, 1949.
28. A. R. Payne, J. F. Smith, J. Sei. Instr., 33, 432 A956); A.E.
Eagle, A. R. Payne, Rubb. a. Plast. Age, 38, 127 A957).
29. E. S p e n s e r, M. Sc. T e с h, Engineering, № 4792, 60 A958).
30. A. M. T у p и ч и и, Электрические измерения неэлектрических
величин, Госэнергоиздат, 1954.
31. Ф. В. Майоров, Электронные регуляторы, Гостехтеоретиздат, 1956.
32. A. G. Buswell, Trans. IR1, 37, 20 A961).
33. G. S. Burr, Electronics, 22, 101 A949); H. H і n d m a n, G. S.
Burr, Trans. Am. Soc. Mech. Engrs., 71, 789 A949).
34. S. D. G e h m a n, R. P. Clifford, Rubb. Chem. Technol., 27,
503 A954); Am. Soc. Testing Materials, Spes. Techn. Publ. № 136,
A952); № 138, 97 A955), ASTM Bullet., № 185, 71 A952).
35. R. R. James, K. E. Morris, Rubb. World, 131, 635 A955).
36. Rubb. World, 135, 122 A956); Rubb. J. Intern. Plast., 135, 962 A958);
136, № 3, 84, № 21, 794 A959).
37. Kautschuk u. Gummi, 9, № 8, WT213 A956); Melliand Tehtilber., 36, 843
A955); 38, 507 A957).
38. Rubb. J., 132, 418 A957).
39. Каталоги «VDM Werkstoffprufmaschinen, VEB Werkstoffprufmaschinen,
Leipzig».
40. DIN 53504. Bl. 1 «Bestimmung der Zugfestigkeit und Bruchdehnung von
Weichgummi durch den Zugversuch».
41. A. J. S t u b b s, Trans. IR1, 29, 215 A953).
42. M. К. Хромов, M. M. P є з н и к о в с к и и, в сб.
«Физико-механические испытания каучука и резины», Госхимиздат, 1960, стр. 119
(Труды НИИШП, сб. 7).
43. Н. F. Church, J. Rubb. Res., 17, 123 A948).
44. H. H. Шапошников, Методика механических испытаний
металлов и ее применение, Госметаллургиздаг, 1933.
45. R. R. В о и с h e, D. R. Tat e, ASTM Bulletin, № 228 (Т. Р. 39),
33 A958).
46. М. П. Вотинов, Е. В. Кувшинский, Приборы и техника
экспериментирования, № 5, 122 A957).
47. А. Е. Eagle, A. R. Payne, Rubb. а. Plast. Age, 38, 811 A957).
48. Е. D. Fa г lie, J. F. H a w k e s, N. E. Waters, Rubb. J.,
132, 648 A957).
49. M. M. P є з и и к о в с к и й, Б. И. Ж б а к о в, Г. Ф. Панин,
Каучук и резина, № 1, 51 A963).
50. R. Shearer, India Rubb. World, 116, 498, 560 A947).
51. Электронный потенциометр ЭПП-09, Ленсовнархоз, 1960.
52. Ю. С. Зуев, Н. И. К и р ш е н ш т е й н, А. А. Матвеев,
Каучук и резина, № 4, 44 A962).
53. Chem. а. Eng. News, 25, 3315 A947).
54. S. S t г є 1 1 а, Н. S і g 1 е г, М. С h m u г а, В. Н о 1 m a n, ASTM
Bulletin. № 228 (T. P. 56), 50 A958).
55. P. Kainradl, F. Handler, Kautschuk u. Gummi, 12, WT 239—
246; 284—296 A959).
56. G. F г о m a n d i, R. Ecker, W. H є і d e m a n n, Kautschuk u.
Gummi, 13, WT25 A960).
57. S. L. Dart, R. L. Anthony, P. E. W а с k, Rev. Sei. Instr..
17. 106 A946).
58. D. S. Villars, J. Appl. Phys., 21, № 6, 565 A950).
59. Rubb. J., 130, 496 A956).
!24 Гл. II. Опред. проч. и упруго-релаксац. свойств резины при статич. нагр.
60. В. Е. Гуль, В. В. Коврига, авт. свид. 138085, класс 42к,
51, заявл. 14/V11—1960 г.; Бюлл. изобр. № 9 A961).
61. С. Н. Журков, Э. И. Т о м а ш е в с к и й, ЖТФ, 25 66A955).
62. G. R. Taylor, S. R. Darin, J. Polymer Sei., 17, 511 A955).
63. D. G. Lamb, Rubb. J. Intern. Plast., 136, 84 A959).
64. Th. F. L a v e r y, F. S. G г о v e r, S. Smith, L. J. Kitchen,
Rubb. Age (New York), 80, 843 A957).
65. ASTM D15—57T. Tentrative Methods of sample preparation for physical
testing of rubber products.
66. 1SO/TC 45 Recom.—37.
67. ГОСТ 269—53. Общие требования к проведению физико-механических
испытаний резины, эбонита и прорезиненных тканей.
68. ASTM D412—51Т. Tentative Method of Tension Testing of Vulcanized
rubber.
69. ГОСТ 270—64. Резина. Определение предела прочности при разрыве.
70. J. Rubb. Res., 17, 203 A948).
71. Г. Ш. И з р а е л и т, Механические испытания резины и каучука, гл. III,
Госхимиздат, 1949.
72. Г. С. У и т б и, К. К- Д э в и с, Р. Ф. Д а н б р у к,
Синтетический каучук, гл. XII, Госхимиздат, 1957.
73. J. В. О'В rien, Rubb. Age (New York), 78, 87, 135 A955).
74. Rubb. World, 135, 122; 768 A957); Rubb. Age (New York), 80, 859, 898
A957).
75. Rubb. J., 130, № 14, 405 A956); 132, № l;,ii A957).
76. H. B. R a d e m a k e г, Р. В r e e d v e 1 d, Rubb. J., 132, 684 A957).
77. Rubb. Age (New York), 63, 743 A948).
78. R. F. В lack well, India Rubb. J., 127, 1098 A954).
79. M. А. Ц ы д з и к, А. И. Л у к о м с к а я. Труды НИИШП, сб. 4,
Госхимиздат, 1957, стр. 138.
80. Н. F. S с h є і f е г, J. Res. Nat. Bur. Stand., 39, 1 A947).
81. ГОСТ 270—53. Определение предела прочности резин при разрыве.
82. В. L. Lab be, Н. М. L е е р е г, India Rubb. World, 130, 58 A954).
83. J. W. Schade, F. L. Roth, India Rubb. World. 116, 777 A947);
O- H. В r a b e n d e r, Kautschuk u. Gummi, ІЗ, 162 (I960).
84. J. R. Scott, J. Rubb. Res., 18, 30 A949).
85. R. Herzoge, R. H. Burton, Rubb. Chem. Technol., 26, 465 A953).
86. P. J. F 1 о r y, Ind. Eng. Chem., 38, 417 A946); B. S. G a r v e y, Ind.
Eng. Chem., 34, 1320 A942).
87. F. H і g u с h і, H. М. L є є р є r, D. S. Davis, Anal. Chem., 20,
1029 A948).
88. К a s a S h і g е о, J. Polymer Sei., U, 425 A953).
89. R. G. Newton, Proceed. 11 Rubber Teshnol. Confer. London, 1948,
p. 23.
90. А. И. Л у к о м с к а я, Коллоид, ж., 25, 184 A963).
91. G. R є і п s m i t h, India Rubb. World, 116, 499, 507 A947).
92. В. В. Evans, India Rubb. World, 64, 815 A922); E. С
Zimmerman, Rubb. Age (New York), 12, 130 A922).
93. Г. А. Патрикеев, А. И. Мельников, Каучук и резина,
№ 12, 12 A940).
94. Н. A. W. N і j v e I d, Proceed. 11 Rubber Technol. Confer., London,
1948, p. 256; 1SO/TC 45 (Secretariat—185), 293 A956).
95. J. M. В u і s t, Trans. IR1, 20, 155 A945); India Rubb. J., 120, 451 A951);
India Rubb. World, 120, 328 A949); Proceed. II Rubber Technol. Confer.,
London, 1948, p. 269.
96. F. L. Graves, India Rubb. World, 111, 305 A944).
97. ГОСТ 262—53. Испытание резины на раздир.
Литература
98. ASTM D624—54. Methods of Test for Tear Resistance of Vulcanized Rubber.
99. DIN 53507. Weiterrei^versuch.
100 DIN 53515. Bestimmung des Weiterrei?widerstandes nach Graves.
101. I. C. Poules, India Rubb. World, 103, 41 A941).
102. А. И. Л у к о м с к а я, в сб. «Физико-механические испытания каучука
и резины», Госхимиздат, 1960, стр. 2. (Труды НИИШП, сб. 7).
103. J. М. Bu ist, R. L. Kennedy, J. Sei. Instr., 23, 242 A946).
104 H. W. G r e e n s m і t h, A. G. Thomas, J. Polymer Sei., 18, 189
A955).
105. А. И. Л у к о м с к а я, ДАН СССР, 127, № 6, 1207 A959); Каучук и
резина, № 2, 6 A960).
106. Н. W. Greensmith, J. Polymer Sei., 21, 175 A956).
107 Н. W. Green sm i t h, The Rheology, of Elastomers Proceed. Confer. Brit.
Soc. Rheology, BRPRA, 1957, p. 113.
108. А. И. Л у к о м с к а я, Высокомол. соед., 1, 1287 A959).
109. DIN 53504, Blatt 2. Dehnungs-Spannungsverlauf beim Zugversuch mit
Weichgummi und einzelne Spannungswerte. jv R-
ПО. ГОСТ 210—53. Определение модуля эластичности резины на модульном
приборе.
111. "W. L. Holt, Е. О. Knox. F. L. Roth, India Rubb. World,
118, 513 A948); Rubb. Chem. Technol., 22, 212 A949); F. L. Roth,
R. D. S t і e h 1 e r, India Rubb. World, 118, 367 A948).
112. ASTM D1456—57T. Tentative Method for strain testing of vulcanized
rubber.
113. ISO/TC 45 (Secretariat—408), 582, May, 1961, «Third draft proposal for
evalution of a standard vulcanizate».
114. J. Res. Nat. Bur. Stand., 41, 87, Res. Pap. 1906 A948); 41, Res. Pap. 1907
A948).
115. H. H. Лежнев, Ю. С. Зуев, Труды НИИРП , сб. 2,
Госхимиздат, 1955, стр. 35.
116. Проект ГОСТ. Резина. Метод определения условно-равновесного модуля.
117. Л. А. В и ш н и ц к а я, Труды НИИРП, сб. I, Госхимиздат, 1954,
стр. 53; Г. М. Бартенев, ЖТФ, 22, 1154 A952); Л. А. В и ш н и ц-
к а я, В. И. Новиков, Труды НИИРП, сб. 2, Госхимиздат, 1955,
стр. 27.
118. ГОСТ 9982—62. Резина. Определение релаксации напряжения при
осевом сжатии.
119. Б. М. Горелик, М. Ф. Б у х и н а, А. В. Ратнер, Каучук
и резина, №2, 23 (I960); №1, 12A961).
120. ГОСТ 265—41. Испытание резины на сжатие.
121. С. Б. Ратнер, М. М. Р є з н и к о в с к и й, Ю. С. Зуев, Зав.
лаб., Ms 7, 849 A954).
122. Б. М. Г о р е л и к, М. Ф. Б у х и н а, Каучук и резина, № 9, 22;
№ II, 11 A961).
123. ГОСТ 412—53. Определение «кольцевого» модуля резины.
124. ГОСТ 252—53. Определение полезной упругости резины при растяжении
на разрывной машине.
125. ГССТ 208—53. Определение полезной упругости резины при растяжении
на гистерезисиой машине.
126. DIN 53510. Elastisches Verhalten von Weichgummi.
127. ГОСТ 268—53. Определение остаточного удлинения резины.
128. ГССТ 259—41. Определение эластичности резины эластометром Шора.
129. DIN 53511. Elastisches Verhalten von Weichgumi».
130. ASTM D575—46. Standard Methods of Test for compression—deflection
characteristics of vulcanized rubber.
15-2406
226 Гл. II. Опред. проч. и упруго-релаксац. свойств резины при статич. нагр.
131. ASTM D393—55. Standard Methods of Test for compression set of vulcanized
rubber.
132. DIN 53517. Bestimmung des Druck-Verformungsrestes.
133. W. J. S. N a u n t о n, «Creep phenomena-natural and Synthetic
rubbers», The Services Rubb. Investigations, London, 1953; Каучук и резина,
гл. III, Издатинлит, 1949, стр. 38.
134.* S. Н. Hahn, I. G a z d і k, India Rubb. World, 103, 51 A941); Rubb.
" Chem. Technol., 14, 433 A941).
135. С. М. Blow, W. P. Fletcher, India. Rubb. J., 106, 403 A944);
Rubb. Chem. Technol., 17, 1000 A944).
136. M. Mooney, W. E. Wol s t enho 1 me, D. S. V і 1 1 а г s,
J. Appl. Phys., 15, 324 A944); Rubb. Chem. Technol., 17, 576 A944).
137. Г. Ш. И з p а е л и т. Механические испытания резины и каучука,
гл. IV, Госхимиздат, 1949, стр. 197—201.
138. W. S. Mac dona Id, A. Us h a k о f f, Anal. Chem., 20, 713A948);
Rubb. Chem. Technol., 22, 828 A949).
139. B. G. Lab be, W. E. Phillips, India Rubb. World, 119, 224
A948).
140. J. R. Beatty, A. E. J u v e, India Rubb. World, 121, 537 A956).
141. Г. Ш. И з p a e л и т. Материалы Научно-технической конференции
1950 г. по усовершенствованию и стандартизации методов
физико-механических исследований и испытаний каучука и резины, Госхимиздат,
1951, стр. 50.
142. R. Е. Morris, R. R. James, I. R. S e e g m a n, India Rubb.
World, 119, 466 A949).
143. C.'J. Wilkinson, S. D. G e h m a n. Anal. Chem., 22, 1439 A950).
144. С. Б. Р а т и е р, Зав. лаб., 19, № 4, 485 A953).
145. S. A. Eller, С. К- Chatten, India Rubb. World, 132, 478 A955).
146. ASTM D1390—56T. Tentative Method of Test for stress relaxation of
Vulcanized rubber in compression.
147. Л. И. Л ю б ч а н с к а я, А. А. Ш л я х м а н, А. С. Кузьмин-
с к и й, Каучук и резина, № 2, 31 A957).
148. Проект ГОСТ. Резииа. Испытание на старение в напряженном состоянии.
149. М. Mooney, W. Е. Wolstenholme, Ind. Eng. Chem., 44,
335 A952).
150. П. П. Кобеко, Е. В. Кувшинский, Г. И. Гуревич,
Изд. АН СССР, сер. физич., 6, 329 A937).
151. J. Delmonte, W. Dewar, Mod. Plast., 14, 42 (Aug., 1937); Am.
Soc. Mech. Eng., Proceed., 62, 513 (Aug., 1940); Mod. Plast, 17, 49 (May,
1940); 65 (June, 1940).
152. J. Marin, Zwisslen, Proceed. ASTM, 40, 937 A940).
153. А. А і k e n, T. A If r e y, A. J a n s s e n, H. Mark, J. Polymer
Sei., 2, 178 A947).
154. W. N. Findley, С H. Adams, W. Y. W о r 1 e y, Proceed.
ASTM, 48, 1217 A948); W. N. Findley, Proceed. ASTM, 42, 914
A942); W. N. Findley, W. J. Worley, Proceed. ASTM, 44,
949 A944); Nat. Adv. Comm. Alero. Technol. Note, 1560 A948).
155. W. С Ellis, J. D. С u m m і n g s, ASTM Bulletin, № 178, 47 (Dec.,
1951).
156. E. E. Wiley, Ind. Eng. Chem., 33, 1377 A941).
157. В. А. К a p г и и, Т. И. С о г о л о в а, ЖФХ, 23, 530 A949).
158. Е. N. Andrade, Е. N. Dae, Proc. Roy. Soc, A, 84, 1 A910);
Proceed. Roy. Soc., A, 138, 348 A932).
159. M. А. Ц ы д з и к, А. И. Л у к о м с к а я, Труды НИИШП, сб. 4,
Госхимиздат, 1957, стр. 113.
Литература 227
160. Ю. С. Зуев, Н. Н. Б у х а н о в а, Т. И. Д о р ф м а н, Каучук
и резина, № 10, 44 A960).
161. М. L. Braun, Rubb. Chem. Technol., 10, 224 A937).
162. S. D. Gehraan, J. Appl. Phys., 19, № 5, 456 A948).
163. J. D. Lichty, R. B. Spacht, W. S. H о 1 1 і n g h e a d, Ind.
Eng. Chem., 47, 165 A955).
164. W. N. Keen, Trans. Am. Soc. Mech. Eng., 68, 237 A946).
165. ГОСТ 10269—62. Резина. Метод определения сопротивления старению
по ползучести.
166. ASTM D1206—52Т. Tentative Method of Test for Resistance to ageing of
vulcanized rubber by measurement of creep.
167. M. P о 1 a n у і, E. S с h m і d et al., Zeitschr. techn. Phys., 9, 38 A928).
168. С. И. С о к о л о в, Н. А. К р о т о в а, Труды ЦНИКТІ, Гизлегпром,
1937, стр. 17, 30.
169. Б. В. Дерягин, Н. А. Кротова, Адгезия, Изд. АН СССР,
1950, стр. 154.
170. Е. А. Сидорович, Каучук и резина, № 12, 38 A961).
171. R. D. Andrews, А. V. Т о b о 1 s k у, Е. Е. Hanson, J. Appl.
Phys., U, 352 A946).
172. A. V. Toboisky, I. B. Pretty man, J. H. Dillon, J. Appi.
Phys., 15, 380 A944); Rubb. Chem. Technol., 17, 551 A944).
173. Б. А. Догадкин, В. Е. Гуль, Коллоид, ж., 12, 184 A950);
Зав. лаб., № 12, 1517 A950); ДАН СССР, 20, 6 A950).
174. М. М. Р є з н и к о в с к и й, 3. Н. Тарасова, Б. А.
Догадкин, Зав. лаб., № 2, 247 A953).
175. J. Р. В er г у, W. F. Wa tson, J. Polymer. Sei., 18, 201 A955);
Rubb. J., 130, 300 A956).
176. J. R. Dunn, Rev. gen. Caout., 36, 1869 A959); Rubb. J., 133, 380
A957).
177. A. M. Снисаренко, 3. H. Тарасова, Каучук и резииа,
№ 2, 37 A962).
178. Ю. С. 3 у е в, В. Д. Зайцева, Каучук и резина, № 2, 22 A963).
Глава III
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТВЕРДОСТИ РЕЗИНЫ
Значение показателя твердости резины и характеристика
методов его определения
Показатель твердости, являясь одной из широко
используемых характеристик вулканизованной резины, фактически
не имеет строгого физического определения1. Обычно твердость
отождествляют с сопротивлением материала вдавливанию в
него (погружению) наконечников различных форм (инденторов).
Естественно, поэтому твердость может быть связана с модулем
резины, находимым при малой величине деформации*. Однако
поскольку при вдавливании осуществляется неоднородная
деформация, производимая с конечной скоростью, при которой
не достигается равновесие между деформацией и напряжением,
то, помимо зависимости модуля от степени деформации,
сказывается влияние скорости и типа деформации.
Испытания реализуются в различных режимах, при
неодинаковых нагрузках и временах воздействия, с инденторами
всевозможных размеров и форм (сферический, полусферический,
конический, в виде усеченного конуса и плоскоцилиндиче-
ский).
При определении твердости существенное значение имеют
силы трения, возникающие между поверхностью резины и
вдавливаемого в нее индентора; они зависят от состава резины
и материала индентора, от гладкости их поверхности и,
подобно типу деформации, определяются также размерами и формой
применяемых инденторов и испытуемых образцов резины.
Оказывает влияние целый ряд второстепенных факторов,
которые будут рассмотрены ниже.
Вследствие этого трудно найти как количественную
корреляцию между показателями, определяемыми различными
методами твердости, так и их связь со статическим модулем.
При некоторых допущениях и пренебрежении силами
трения можно рассчитать связь твердости и модуля резины для
наконечников сферической, цилиндрической и конической
формы2'3.
* Имеется в виду некоторое, строго говоря, неравновесное значение мо-
ауля Юнга.
Значение показателя твердости резины и характер, методов его опред. 229
Подобные расчеты справедливы только в ограниченной
области деформаций при заданном режиме испытания.
Возможен также, эмпирический подбор условий испытания
(величины действующего груза, размеров образца и
наконечника при одинаковой форме последнего), основанный на
применении геометрического подобия, который для данного режима
испытания приводит к одинаковым результатам на микро- и
макрообразцах4. В принципе же пользование переводными
коэффициентами для сравнения .показателей твердости, полученных
в различных режимах неодинаковыми методами, недопустимо5.
Несмотря на указанные трудности, определение твердости
резин приобретает первостепенное значение, что связано с
рядом обстоятельств. Прежде всего, испытание резины на
твердость занимает мало времени, осуществляется просто и в ряде
случаев на портативных приборах, поэтому оно может быть
отнесено к серии экспрессных методов; далее, твердость, как и
модуль, является показателем, весьма чувствительным к
изменению состава и степени вулканизации; кроме того, для
некоторых резиновых изделий твердость имеет первостепенное
значение в качестве эксплуатационной характеристики резин;
наконец, испытание на твердость становится чрезвычайно
важным в связи с развитием микрометодов, так как определение
микротвердости может производиться на тонких образцах
малых размеров и на готовых, в том числе небольших, изделиях.
Твердость может быть характеризована тремя
показателями: 1) глубиной погружения индентора под действием
постоянной нагрузки64; 2) величиной деформации пружины,
подпирающей индентор, при заданном сближении ее опоры с
поверхностью испытуемого образца; 3) нагрузкой, вызывающей
заданное углубление индентора15'16.
В первом случае помимо нагрузки задается время
вдавливания. Во втором случае индентор погружается в резину по,л
переменной нагрузкой, возникающей вследствие деформации
упругой пружины. Измерение производится в условных
единица«, фактически соответствующих деформации упругой
пружины, а следовательно, силе выталкивания наконечника из
резины. Глубина погружения наконечника при этом тем больше,
чем меньше деформация пружины.
Наконец, в третьем случае находится нагрузка,
обеспечивающая погружение в резину индентора за определенное время на
заданную глубину. Последний режим не нашел практического
применения. Прибор16, работающий в этом режиме,
аналогичен по принципу действия дефометру (см. главу I); нагрузка
измеряется пневматически; прибор позволяет определять
твердость мягких резин.
230 Гл. III. Определение твердости резины
Испытание на твердость заимствовано из аналогичных
испытаний металлов. Однако при испытании металлов измерение
погружения производится по глубине отпечатка индентора
после снятия нагрузки, т. е. по остаточной (пластической)
деформации, а следовательно, в пределах больших нагрузок, вы-
зыващих пластическую деформацию металлов1.
В отличие от испытаний металлов, измерение твердости
резины производится во время действия нагрузки, в области
сравнительно небольших нагрузок и времен, при которых
практически не развиваются остаточные деформации.
Факторы, влияющие на результаты определения твердости
Помимо указанных ранее основных факторов (время и
скорость испытания, тип и степень деформации) существенное
влияние на показатели испытания оказывают силы "трения
между поверхностями индентора и испытуемого образца.
Силы трения зависят от состояния поверхности (гладкая
или шероховатая), материала индентора, выцветания на
поверхность ингредиентов резиновой смеси (серы, парафина),
чистоты поверхности. Для уменьшения трения рекомендуется,
например, опудривание поверхности мелом или тальком, легкая
вибрация опорной поверхности для образца при испытания
Сильно влияет смазка поверхности2.
Помимо этого имеются факторы, специфические для
испытания на твердость. Среди них прежде всего следует отметить
соотношение размеров индентора и толщины образца,
определяющее относительную величину глубины погружения
индентора. Чем больше относительная глубина погружения, тем
сильнее влияние жесткости подложки (опоры), на которой
находится испытуемый образец. Естественно, что в режиме
заданной нагрузки и времени испытания жесткость подложки сильнее
сказывается на более мягких резинах, в которые глубже
внедряется наконечник.
Следующим важным фактором, который также необходимо
учитывать, является предварительная нагрузка, при которой
производится нулевой отсчет. Эта нагрузка нужна для
обеспечения контакта (начального) между индентором и
поверхностью образца.
Равномерность погружения индентора в образец в
наибольшей степени обеспечена либо при плоско-параллельных
поверхностях последнего, либо при строгой симметрии
расположения образцов неплоской формы под индентором
(рис. 114).
Приборы для определения твердости под постоянной нагрузкой 231
При одной и той же форме индентора благоприятнее
применение меньших его размеров, что уменьшает влияние
неоднородности образца, толщины и состояния его поверхности.
Однако инденторы малых размеров следует изготавливать с
соответственно большей точностью. Существенно, чтоб износ
индентора не был значительным. Инденторы конической формы
с этой точки зрения хуже, чем сферические (шаровые).
Поэтому, несмотря на то, что в случае использования конического
наконечника, твердость довольно просто связана с модулем
резины, поскольку форма вдавливания не зависит от глубины
погружения (глубина погружения
конического индентора, по некоторым данным2,
обратно пропорциональна корню
квадратному из величины модуля упругости
при малых удлинениях и прямо
пропорциональна корню квадратному из
величины нагрузки), надежнее применять
сферические инденторы.
При применении сферических инден-
торов влияет соотношение диаметра
шарика н его держателя (штока).
Для всех случаев важно, на каком
расстоянии от края образца погружаются
инденторы. Каждой форме и размеру
индентора соответствует минимальное
расстояние, ниже которого существенно
сказывается занижение показателей
твердости (увеличивается глубина
погружения).
Рис. 114. Расположение
v-образного образца
симметрично относительно
индентора:
1—образец; 2—опора для
фиксирования образца; 3—инден-
тор; 4—кожух твердомера; Л—
толщина образца в измеряе-
-т,- -.=¦_,»» мом месте.
Приборы для определения твердости под постоянной
нагрузкой
В СССР стандартизовано6 испытание на твердомере
ТШМ-2 типа Пузея—Джонса, устройство которого показано
на рис. 115.
На конце стержня индентора 8, висящего во втулке 12 и
жестко связанного с ножкой (мерительным штоком)
индикатора /, находится стальной шарик 10 диаметром 5 мм.
Кронштейн индикатора / помещен на площадке 5, которая
может передвигаться вверх или вниз путем вращения
звездочек 6, соединенных цепочкой 7.
Груз 9, вес которого вместе с втулкой составляет 1 кгс,
опирается на площадку 2, перемещаемую, аналогично площадке 5,
вращением звездочек 3, соединенных цепочкой 4.
232
Гл. III. Определение твердости резины
Перед испытанием площадки 5 и 2 подняты.
При испытании площадку 5 с индикатором опускают
(вращением звездочек 6) так, чтобы после касания поверхности
образца // шариком индентора 10 большая стрелка индикатора
сделала два полных оборота, соответствующих подъему
индентора на 2 мм, и обе стрелки, отсчитывающие целые и сотые
доли миллиметра, стали на нуль.
Вращением звездочек 3 площадки 2 опускают груз, пока
между заплечиками втулки 12 и площадкой 2 не образуется
зазор в 4—5 мм. При этом начинает двигаться стрелка
индикатора, что указывает на начало опыта.
Через 30 сек отсчитывают по индикатору глубину
погружения шарика в образец с
точностью до 0,01 мм.
Образцы имеют форму
плоско - параллельных
пластин толщиной не
менее 6 мм, позволяющих
производить испытание не
менее чем в 3 точках,
расположенных на
расстоянии 10 мм друг от
друга и от краев образца.
Показателем
твердости резины на
твердомере ТШМ-2 служит
величина
12
ю
ш =
izdH
кгс/см2
J
Рис. 115. Твердомер ТІІІМ-2:
/—индикатор; 2, 5—площадка; -3, б—звездочки; 4, 7—
цепочка; 8—стержень индентора; 9—груз; 10—шарик
иидентора; И—образец; 12—втулка.
и и
где Р — груз A кгс);
d — диаметр шарика
@,5 см);
Н — глубина
погружения (см).
При изменении глубины погружения от 0,01 мм до 2 мм Тт
изменяется от 636,94 кгс/см2 до 3,18 кгс/см2. Согласно
стандарту США7, в пластометре Пузея—Джонса применяется шарик
диаметром 3,18 мм или — для мягких резин — 6,35 мм. Время
погружения выбрано в 1 мин. Для закрепления положения
образца на столе используются специальные держатели, что
улучшает сходимость результатов испытания.
При испытании на твердомере Пузея—Джонса пренебре-
Приборы для определения твердости под постоянной нагрузкой 233
гают измерительным давлением индикатора и давлением инден-
тора, хотя по ГОСТ 253—53 обусловлена начальная
(контактная) нагрузка 50±5 гс. Также не учитывают время нахождения
индентора в контакте с образцом (при поднятии площадки
с микрометром при «взводе» пружины микрометра) до
момента приложения груза в 1 кгс. Это вносит некоторую
неопределенность в метод испытания и снижает его чувствительность.
Указанного недостатка нет в аналогичном приборе и методе8,
положенном в основу рекомендации ИСО9 ч введенном в
британский стандарт10, ASTM11 и др.12.
Образцы имеют форму плоско-параллельных пластин
толщиной 8—10 мм. Допускаются иные толщины, но не менее
2 мм. Результаты испытаний, получаемые на образцах разной
толщины, поскольку влияет жесткость подложки, не
сопоставимы. Ниже приведены допустимые расстояния от точки
измерения твердости на образце до края образца б. мм в
зависимости ст общей толщины образца h, мм-
h 4 5 8 10 15 25
о 7 7,5 9,0 10,0 11,5 12,7
Индентор имеет форму шара диаметром 2,38 или 2,50 мм,
погружаемого в течение 5 сек под грузом 30 гс и 30 сек —
дополнительным грузом 0,534 кгс или 0,550 кгс. (соответственно
диаметру шара). Давление прижимного основания диаметром
20 мм, с отверстием в центре (для индентора) диаметром
6 мм, составляет 0,30 кгс\см2. Разница в глубине погружения
под действием малого и большого грузов преобразуется б
международные градусы твердости при помощи лересчетной
таблицы или графика.
Как следует из полуэмпирической зависимости, для
индентора сферической формы15:
р = 0,00051G#°-65№>35 A)
где Р— вдавливающая нагрузка, кгс;
G — модуль сдвига, кгс/см2;
R — радиус индентора, см;
Н — глубина вдавливания, сотые доли мм.
Эта зависимость получена для изотропного несжимаемого
материала без учета влияния времени деформации
(релаксационных эффектов).
Твердость резин на практике часто характеризуется в условных единицах,
называемых «твердостью по Шору» (см. раздел «Портативные приборы» этой
главы) и изменяющихся от 0 для материалов с модулем G-*0 до 100 для
материалов. С модулем G--0O.
234
Гл. III. Определение твердости резины
Можно подобрать эмпирическое выражение для функции f в зависимости от
модуля G, причем функция / практически будет совпадать с твердостью по
Шору в пределах от 30 до 80. Такая функция равна
log о/Оо
B)
100
где з = ¦
a—наклон кривой твердости по Шору в зависимости от логарифма модуля G'
GB—модуль сдвига для резни с твердостью 50 (GO=7,7 кгс/см2).
ЩО
?
¦ \^С(Е8кгс/смг)
0,15 0,55 0,95 1,35 /,75 2,15 2,55
?
79,5
7Oj
60,0
37,5
27,5
19,0
12,0
70
4<L
7
О !,3 Z5 1,7 1,9 2J
Ц Е(Ед фунт/Зюйп3)
3,3 3j 3,73,9.
Рис. 116. Зависимость между твердостью (по
рекомендации ИСО), IRHD и модулем Юнга Е.
На рис. 116 показана соответствующая зависимость lg? от f(IRHD), где
IRHD—международные единицы твердости.
Максимальный наклон ее составляет 57 IRHD на единицу изменення lg?.
Из выражений A) н B) можно вычислить f дли различных Я. Если разница
между глубиной вдавливания шарнка днаметром 2,44 мм под соответствующими
нагрузками 30 и 570 гс составлиет L, то глубина вдавливания под нагрузкой
570 гс равна:
її _ і і
570 1 — C0/570H.'«
1—0,113
Следовательно, глубина вдавливания прн нагрузке 30 гс составляет 10%
от глубины вдавливания при нагрузке 570 гс. В таблицах для пересчета в f
дается разность L.
Приборы для определения твердости под постоянной нагрузкой 235
Твердомер фирмы «Уоллес» для определения твердости по
рекомендации ИСО схематически показан на рис. 117.
На основании /, в котором помещен вибратор, уменьшающий
силы трения между индентором и образцом, находится
подложка 2 для образца 15 и мерительное устройство,
устанавливаемое по высоте ручным маховичком 7.
Индентор состоит из шарика 14 диаметром 2,5 мм,
навинченного на ведущий стержень 13. Ножка микрометра 9 с
магнитом 10 и с индентором составляет предварительную нагрузку
на образец. Верхний 8 и нижний 4 рычаги служат для
перемещения относительно оси индентора контактного груза 6,
действующего на прижимное кольцо 3. С нижним рычагом связано
кольцо 12, несущее основную нагрузку //.
Последовательность испытания такова: рычаги 4 и 8
поднимаются вместе с контактным грузом 6, устанавливается
образец, включается вибратор и при вращении маховичка 7
рычаги 4 и 8 опускаются так, что груз 6 прижимает кольцо 3
к образцу. При дальнейшем вращении маховичка 5 шарик
индентора под предварительной нагрузкой касается образца,
а затем кольцо 12 освобождает основную нагрузку //, которая,
упираясь в подставку ведущего стержня, вдавливает шарик
индентора в образец.
На рис. 118 показан вариант прибора НИИРП, положенный
в основу приборов, серийно изготовляемых заводом
«Металлист»18.
На станине / имеются столик 2 для образца 3 и
направляющие колонки 12 для перемещения нагружающего механизма.
Внутри станины помещена вибрационная установка, снижающая
трение между образцом и индентором при испытании.
Механизм нагружения устанавливается по высоте винтом 10
и фиксируется стопорным винтом //. Основной груз 9 в 550 гс
действует на шарик индентора 5 через стержень 8 микрометра 6
при повороте рукоятки 7. Предварительная нагрузка з ЗО гс
создается от стержня 8 с шариком 5 и измерительного
усилия микрометра 6. Прижимное кольцо 4 имеет
рекомендованные ИСО размеры и создает необходимое прижимное
усилие.
Испытания по методу, рекомендованному ИСО, имеют
следующие преимущества:
1. Применение сферического наконечника.
2. Применение специального прижимного основания,
обеспечивающего контакт образца с опорной площадкой (под
давлением 300 гс/см2).
3. Применение в основании прибора зуммера или вибратора
для уменьшения сил трения.
236
Гл. III. Определение твердости резины
4. Создание определенного минимального груза и
лимитирование времени его действия E сек).
Испытание с пряжимным устройством в виде стального
кольца применяется и по методу ASTM13 на приборе, в котором в
качестве индентора служит полусферический наконечник
диаметром 2.38 мм, вдавливаемый постоянным грузом в 1,36 к?с.
Рис. 117. Твердомер
фирмы «Уоллес» для
определения твердости по ЙСО:
1—основание; 2—подложка;
3—прижимное кольцо; 4,
8—рычаг; 5. 7—маховичок; 6—груз;
9—индикатор; 10—магнит; И—
основной груз; 12—кольцо;
13—стержень индентора; 14—
шарик индентора; 15—образец.
Рис. 118. Твердомер НИИРП для
определения твердости по ИСО:
/—станина; 2—столик; 3—образец; 4—
прижимное кольцо (шайба); 5—шарик
индентора. 6—микрометр; 7—рукоятка;
в—стержень индеитора; 9—основной груз; 10, 11 —
виит; 12—направляющие колонки.
Показателем испытания служит глубина погружения в
тысячных долях дюйма, определяемая через 30 сек после
приложения груза. Подобен ему также британский метод и прибор*4,
являющийся прототипом международного метода.
Для определения твердости мягких резин19 максимальный
дополнительный груз в 535 гс заменен на груз в 70+0,05 гс.
При диаметре шара 2,38 мм соответствие между твердостью
по ИСО (IRHD) и глубиной погружения передается в табл. 5.
Портативные приборы
237
Таблица 5
Перевод отсчета глубины погружения
в международные единицы твердости
Отсчет глубины
погружения в 0,01 мм
0
10
50
65
і 00
200
Твердость
100
64,4
20,7
16,5
9,2
¦1,3
Портативные приборы
Наиболее распространенным переносным прибором
карманного типа является твердомер Шора. Испытание на нем
стандартизовано бо многих странах203.
Рис. 119. Твердомер ТМ-2 (завод «Металлист»):
/—икдентор (игла); 2—шайба; 3—шестерня; 4—зубчатая рейка;
5—пружина; 6—головка; 7—пластинка; 8—стрелка.
Устройство аналогичного твердомера ТМ-221 показано на
рис. 119. Индентор / представляет собой иглу с наконечником
в виде усеченного конуса и выступает из корпуса через
отверстие в шайбе 2 на определенное расстояние а = 25 + 0,05 мм.
Верхним концом он упирается в плоскую пружину 5. Прибор
2 38 Гл. III. Определение твердости резины
устанавливается на образце, находящемся на плоской,
неподвижной опоре так, чтобы металлические пластинки 7 и шайба 2
соприкасались с поверхностью образца при нажатии на
головку прибора 6. При этом игла погружается в образец на
некоторую глубину до тех пор, пока сила выталкивания ее из резины
не уравновесится давлением деформированной пружины 5. Чем
меньше сила выталкивания, тем меньше деформируется
пружина и глубже погружается игла. С движением иглы связано
смещение зубчатой рейки 4, поворачивающей шестерню 3, на
оси 'которой находится стрелка 8. Последняя показывает на
шкале прибора твердость в условных единицах от 0 до 100.
Если давление пружины (сила выталкивания) равно или менее
5б±4 гс, игла погружается в образец на полную глубину
25±0,05 мм, и стрелка показывает по шкале 0. Если давление
пружины 822± 4 гс или более, то игла не погружается в
образец, и твердость образца равна 100. Твердость 100 можно
определить, устанавливая твердомер на стеклянной или
гладкой металлической поверхности и нажимая на головку
прибора, как при определении твердости резинового образца
(стрелка твердомера должна показывать на шкале 100).
Для проверки твердомера существуют также специальные
контрольные площадки. При нажатии рукой на головку
прибора, обеспечивающем соприкосновение плоскостей пластинки и
шайбочки прибора с плоскостью контрольной площадки,
стрелка прибора должна показывать на шкале деление,
соответствующее указанному сбоку на площадке.
Пружина прибора периодически калибруется. Схема
калибровки показана на рис. 120. На рис. 121 дана калибровочная
кривая22.
Согласно DIN20, измерение твердости производится через
10 сек после осуществления контакта с образцом.
Установлено24, что зависимость между твердостью и логарифмом времени
отсчета линейная с разным наклоном для разных резин. Однако
по многим стандартам отсчет твердости производится без
строгого лимитирования времени отсчета, сразу после
установления контакта с образцом.
Данные по вдавливанию иглы и шарика (шкала твердомера
Шора и интернациональная, или международная, шкала
твердости), строго говоря, нельзя идентифицировать, исходя из
ранее рассмотренных соображений. Поэтому для определения так
называемой твердости по Шору необходимо самостоятельное
испытание на соответствующем твердомере.
Прежде всего сказывается неодинаковость деформации и
режима нагружения, существенно по-разному влияют
релаксационные свойства резин.
Портативные приборы
239
Отсчет глубины погружения должен производиться от
определенного («нулевого») уровня. В случае измерения твердости
по ИСО этот уровень определяется минимальным
(предварительным) грузом C0 гс). На ручном приборе Шора степень
Рис. 120. Схема калибровки твердомера типа Шора:
/—шкала весов; 2—груз; 3—твердомер; 4—кронштейн для
закрепления твердомера.
прижатия при контакте влияет на показания: завышенная
твердость получается при сильном давлении на головку прибора.
Только для изотропных резин, не имеющих существенных
остаточных деформаций, сопоставление твердости по ИСО и по
вгг
56 ЮО 200 300 ¦WO 500 S0O Щ,
¦rPl/3, ?С
Рис. 121. Калибровочная кривая твердомера
Шора.
240 Гл. Ш. Определение твердости ргзины
Шору25 дает довольно хорошую корреляцию:
Твердость по ИСО ... 23 40 50 60 70 80 90 100
Твердость по Шору. . . 26 39,5 50 60,5 70,5 80 89,5 100
Однако для широкого круга парктически применяемых
технических резин такого соотношения не существует4.
Применение конического наконечника ненадежно из-за
быстрого износа и порчи наконечника, влияющих на
результаты вследствие изменения размеров. Пружина при эксплуатации
со временем также меняет свою упругость. Требуется
систематическая проверка (калибровка) прибора.
Следует отметить такой недостаток испытания на приборе
Шора, как значительная доля субъективности в измерении.
В НИИРП26 разработан усовершенствованный вариант
твердомера ТМ-2, на котором, благодаря применению
фиксированных установки прибора и нагружения пружины, а также
сменных держателей образца различной формы, достигаются
повышенная точность измерения и возможность определения
твердости малогабаритных резиновых изделий, в том числе и не
имеющих плоско-параллельных оснований.
До настоящего времени в отечественной промышленности
наибольшее распространение находят твердомеры ТМ-2. По
показателю твердости принято делить резины на разные классы:
мягкая резина — от 30 до 50; средняя — от 50 до 70; твёрдая—
от 70 до 90 и очень твердая — выше 90. Следует указать, что
колебания в 2 единицы твердости указывают на нестабильность
технологического процесса изготовления резины или качества
применяемого сырья. Поэтому очевидно, что определение
твердости с точностью 5%, указанное в ГОСТ 269—53, недостаточно.
Необходимо либо увеличение числа измерений, либо
повышение их точности.
Согласно ASTM22, допускается измерение твердости по Шору
на твердомере Рекса5'27 аналогичного принципа действия.
Первоначально прибор изготавливался с нониусной (верньерной) шкалой,
а затем был модифицирован. Показатель твердости выбрасывается на шкале,
подобно отсчетам электрического счетчика, при вдавливании наконечника в
образец и не отводится обратно самопроизвольно. Прибор имеет все ранее
рассмотренные недостатки твердомера Шора, хотя дает некоторый максимальный
отсчет, практически не зависящий от времени (соответствующий начальному
контакту с образцом). Но последнее его преимущество не может компенсировать
другой существенный недостаток: невозможность проверки и наладки работы
прибора потребителем.
Твердомер Шора применяется также при измерении твердости эбонита.
Однако в этом случае наконечник выполнен в виде конуса, а упругость
пружины существенно выше. По DIN20, твердомер для измерения твердости резины
называют «Шор А».
Микротвердомеры 241
Известны портативные британские приборы RABRM28
(Исследовательской ассоциации британской резиновой
промышленности) и фирмы «Уоллес»29 со сферическим наконечником,
дающие показания в единицах твердости по ИСО (то же — в
британских градусах), пенетрометр фирмы «Файерстон»5'30. Среди
них, по-видимому, наиболее удобен, точен и конструктивно
совершенен прибор фирмы «Уоллес»29.
Микротвердомеры
Учет зависимостей по формулам A) и B; полезен при
выборе размеров индентора и нагрузки для микротвердомеров,
дающих результаты, совпадающие с международными
единицами (градусами) твердости.
Для исключения влияния подложки по возможности
сохраняется геометрическое подобие, т. е. соотношение толщины и
ширины образца в пределах 1 : 8 или 1 : 6. Радиус шарика
индентора R и нагрузка Р рассчитываются из выражения Р —
— 0,0005I/?2 (H/R) '.35, откуда следует, что, если R уменьшается
в К раз, а Р — в /С2, то величина глубины погружения Н
изменится также в К раз.
Если выбрать для микротвердомера диаметр шарика 0,40 мм.
а общая нагрузка при вдавливании (для соответствия с
испытаниями по рекомендации ИСО) составит 15,7 гс, то глубина
погружения уменьшится в 6 раз.
При использовании переводных таблиц (см. табл. 5) для
выражения показаний глубины погружения Н в единицах
твердости по ИСО необходимо умножить Н на 6. Основанные на
этих расчетах работы фирмы «Пирелли»4 в Италии привели
к разработке конструкции микротвердомера, предложенного
ИСО31. Аналогичной конструкции микротвердомер был
изготовлен фирмой «Наш и Томпсон»32 в Англии, на котором в
последующем была проверена33 идентичность результатов,
получаемых на микро- и макротвердомере.
Прижимное устройство прибора с индентором изображено
на рис. 122. Труба 2 прижимного устройства скользит в
подшипниках / цилиндрической коробки 3, опускаясь на образец
прижимкой кольцевой площадкой 6. Иидентор 9 представляет
собой стержень, несущий на нижнем конце, закаленный шарик
диаметром 0,4 мм. Груз 4 индентора может быть поднят или
опущен при помощи опоры 5. Попадая на платформу 8, с
которой жестко связан индентор, он вызывает погружение индентора
в образец. При этом стержень индентора скользит в
подшипниках 7, 10. Положение его вершины, наблюдаемое через
окошко // в трубу 12 микроскопа, например при помощи малого
16—240S
242
Гл. III. Определение твердости резины
зеркальца, наклоненного под углом 45°32, дает на отсчетной
шкале микроскопа смещение индентора при его погружении с
точностью до 0,005 мм.
Начальный груз, действующий на шаровой индентор,
равен 0,85 гс, а дополнительный или основной4—14,86 гс.
На рис. 122,6 схематично
показан общий вид установки для
определения микротвердости.
При испытании фасонных
(неплоских) образцов предлагается
применение специальных опор; в
частности, на рис. 114 показан
держатель для V-образного образца
а в
Рис. 122. Микротвердомер фирмы «Наш и Томпсои»:
а—прижимное устройство; б—общий вид установки; Л 7, 10—подшипники; 2—труба;
3—цилиндрическое устройство; 4—груз; 5—опора груза; 6—прижимное кольцо; 8—платформа; 9—инден-
тор; //—смотровое окно; 12— труба микроскопа.
толщиной h. Положение прижимной кольцевой площадки
прибора относительно держателя должно быть таково, чтобы
шаровой индентор коснулся образца в центре. Микротвердомер
удобен для измерения сравнительно мягких резин,.но
оказывается менее чувствительным, чем твердомер Шора, при
измерениях резин с высокой твердостью. Для увеличения
чувствительности здесь необходимо повышение величины груза до 30—38 гс.
Для образцов выпуклой формы, для мягких резин, а также
образцов толщиной 0,5 мм необходимо уменьшение диаметра
шарика и соответственно должен быть уменьшен груз.
Испытания также производятся с индентором, имеющим шаровой
наконечник диаметром 0,396 мм, под начальной нагрузкой 0,86 г
E сек) и общей нагрузкой 15,72 гс C0 сек). Отсчитывается
Микротвердомеры 243
разность глубин погружения, переводимая в твердость по ИСО.
Значительно более точным и надежным в работе
оказывается электронный микротвердомер фирмы «Уоллес»34-37
(рис. 123).
Индентор / с площадкой 3 для груза держится на
пружинах 2. Индентор «нулевого» положения (гетеродин) состоит
из двух колебательных контуров с близкими по значениям
звуковыми частотами, дающими биения, которые слышны в
наушники прибора. Конденсатор 4 одного из контуров связан с ин-
Рис. 123. Схема электронного микротвердомера
фирмы «Уоллес»:
/—индентор; 2—пружины; 3—площадка для груза; 4— пластины
конденсатора; 5—зубчатая пара (шестеренка и рейка), 5—столик;
7—микрометрический винт; 8— клин; 9—шкала.
дентором так, что перемещение индентора путем изменения
расстояния между пластинками конденсатора вызывает
изменение емкости. Нулевое положение индентора устанавливается
по отсутствию звука в наушниках при помощи шестеренки и
зубчатой рейки 5.
При приложении груза к индентору последний погружается
в образец, находящийся на столике 6. Пружины 2
отклоняются, и емкость конденсатора 4 изменяется. Чтобы вернуть
индентор в начальное положение, не препятствуя его
погружению в образец, при помощи микрометрического винта 7
перемещают клин 8 под столиком 6, изменяя тем самым высоту
последнего до прекращения звука в наушниках.
Горизонтальное перемещение клина прямо пропорционально подъему стола
или погружению наконечника в образец, и, поскольку выбрано
удесятеренное отношение горизонтальной и вертикальной
сторон клина, погружение измеряется по шкале индентора 9, с точ-
16*
244
Гл. ///. Определение твердости резины
—г
ностью до 0,0002b мм. Поднятие уровня стола идет непрерывно
по мере погружения индентора.
Микротвердомер дает также возможность измерения
восстановления образца после разгружения.
Средняя точность определения, полученная при измерении
микротвердости, при нормальном распределении показателей
на наполненных резинах из НК составила ±2,8%!7.
Электронное устройство показало хорошие результаты при
эксплуатации. Для стабилизации работы колебательных
контуров необходим предварительный
прогрев в течение 15 мин.
При микроиспытаниях особенное
значение имеет способ закрепления
образцов. Следует по возможности
исключать наличие воздушных
промежутков между опорным столом и
образцом, применяя, например,
присасывание образцов вакуумом.
Соответствующее устройство38 пока
зано на рис. 124.
Устройство состоит из основа-
Рис. 124 Устройство для уста- ш,я / прикрепленного К ПОДЪемно-
новки образцов на опорном сто- п о »
лике с помощью вакуума: "У столику 9 и колонке 2, несущей
V-основанне устройства; 2-колонка; РЫЧЭГ 3 С ОСНОВаНИЄМ 5 — прИЖИМ-
J-рычаг; 4-индентор: 5-прнжимная НОЙ ШаЙбоЙ (ДЛЯ образца). ГІОСЛЄД-
шайба; 6—столик для образца; 7—пру- _ Vr^ г "^ / "^
жина; S—цилиндр; 9—подъемный сто- НЯЯ В О раЗ Меньше СТЯНДарТНОИ
ЛНКі прижимной шайбы 5. Столик для
образца 6 может двигаться
вертикально на цилиндре 8 и прижиматься пружиной 7 к шайбе 5
силой в 30±5 гс. Подгонка концентричного положения шайбы
и индентора производится путем вращения колонки 2 с
рычагом 3.
Согласно последней рекомендации ИСО39, испытания на
микротвердость, дающие сопоставимые с макротвердостью
результаты, производятся на образцах толщиной 2—2,5 мм.
В табл. 6 сопоставлены основные размеры индентора п
прижимного основания, а также нагрузки при определении на
микро- и макрообразцах.
В СССР нашел применение микротвердомер40, вариант
которого для определения твердости по ИСО, изготовленный
заводом «Металлист», показан на рис. 125.
На массивном основании 5 расположены стойка 4 и
предметный столик 22 для установки испытуемого образца. На
стойке имеется кронштейн / для крепления рабочих частей прибора:
индентора 7, принимающего вертикальное положение в оправ-
Микротвердомеры
245
Таблица 6
Размеры частей прибора и применяемые нагрузки при испытании образцов
различной толщины39
Толщина
образца
мм
8—10
2—2,5
Часть прибора
Шарик
Прижимная шайба
Отверстие в
прижимной шайбе
Шарик
Прижимная шайба
Отверстие в
прижимной шайбе
Диаметр
мм
2,38+0,01
2,50+0,01
20±1
6±1
0,395-0,005
3,35±0,15
1,00+0,15
максимальная
534±1
55О±1
14,85^0,05
—
Нагрузки, г
минимальная
30+2
30+2
_
—
0,83±0,О5
—
—
общая
564 ±3
580+3
850+150
—
15,68+0,10
24+3
—
Рис. 125. Микротвердомер (завод «Мет-алл ист»):
/—кронштейн; 2, 3—винты; 4—стойка; 5—основание; 6 —
тумблер для включения привода; 7—индентор;
«-—держатель; 9—шток; 10—пластинчатые пружины; 11—гайка;
12—ролик; 13—привод; 14—шкала; 15—рычаг; 16—
программный кулачок; 17—электромагнитный датчик;
18—площади; ;?—оправка; 20, 21—грузы: 22—столик.
*™ Гл. III. Определение твердости резины
ке 19, подвешенной на пластинчатых пружинах 10;
электромагнитного датчика 17 и механизма нагружения индентора.
Действие механизма нагружения заключается в следующем:
от моторчика с редуктором 13 вращается программный
кулачок 16, профилем которого определяется длительность цикла
нагружения, выдержки под нагрузкой и снятия нагрузки;
положение кулачка указывается на шкале 14. Нажимом от кулачка
углового рычага 15 с обкатываемым роликом 12 приводится в
движение шток 9 с тарельчатым держателем 8 грузов 20 и 21
F — тумблер для включения приводного моторчика, 11 — гайка
для доводки площадки 18).
Индентор вместе с механизмом нагружения может
перемещаться относительно датчика 17 посредством
винтов 2 и 3 для грубой и точной установки нулевого
положения.
Электромагнитный датчик реагирует на изменение
расстояния от него индентора, связанное с погружением индентора в
испытуемый образец под действием предварительной нагрузка
0,83 гс и общей нагрузки 15,68 гс.
Сигналы датчика преобразуются, передаются на
электронный прибор, и стрелочный индикатор показывает глубину
погружения индентора.
Недавно фирмой «Пирелли»37 выпущен пикотвердомер. Этот
прибор дает возможность определять не только твердость
тонких образцов, но и твердость тонких резиновых покрытий, а
также судить об изменении твердости поверхности резинового
изделия в результате ее обработки. Схема прибора показана на
рис. 126. Радиус индентора равен 0,1 мм, нагрузка~ 1 гс.
Погружение на 6 ммк соответствует твердости 50. У верхнего
конца индентора / со сферическим наконечником имеется полуалю-
минированное зеркало, а под ним — стеклянное зеркало 2 на
стальной опоре, с регулировочными винтами.
Оптическая система состоит из ртутной лампы 3,
монохроматического фильтра 4, полуалюминированного зеркала 5, при
помощи которого в микроскоп 6 наблюдается
интерференционные полосы; катушки 7 без железного сердечника,
концентричной с индентором и питаемой постоянным током от батареи
через жидкостной реостат 8. Этим током преодолевается вес
индентора. Резиновый образец находится на платформе 9 на
коротком расстоянии от индентора.
При помощи бинокулярного микроскопа 10 наблюдается
правильность положения индентора на образце. Индентор
внедряется в образец под действием собственного веса, который
«включается» путем ослабления тока в катушке 7. Смещение
индентора отражается в зеркалах оптической системы, давая интер-
Микротвердомеры
247
ференционные полосы на зеркале 5. Каждой полосе
соответствует своя глубина погружения.
В заключение главы можно указать следующие перспективы
развития испытаний по определению твердости резины.
Ю
Рис. 126. Пикотвердомер фирмы «Пирелли»:
/—индентор; 2—зеркало; 3—ртутная лампа; 4—монохроматический
фильтр; 5—полуалюмииированное зеркало; 6, 10—микроскоп;
7—катушка; 8— жидкостной реостат; 9—платформа.
Развитие экспериментальной техники, приведшее к созданию
микро- и пикотвердомеров, и изыскание практических путей
выражения показателя твердости <в единой шкале международных
градусов, независимо от масштаба измеряемого образца,
открывает широкие возможности использования показателя
твердости при испытании материалов, имеющихся в малом
количестве, а также при оценке готовых изделий, з частности при
контроле качества изготовления, не применяя специальной
вырезки образцов (не разрушая изделия).
Особое значение приобретает испытание малогабаритных
резиновых изделий и деталей.
Повышение чувствительности твердомеров дает возможность
проведения простого и быстрого контрольного 'Испытания,
достаточно удовлетворительно показывающего отклонения в
технологическом процессе изготовления резины или изменения в
качестве материалов, применяемых для ее изготовления.
248 Гл. III. Определение твердости резины
ЛИТЕРАТУРА
1. Г. Ш. И з р а е л и т, Механические испытания резины и каучука, гл. V,
Госхимиздат, 1949.
2. J. R. Scott, Trans. IRI, 11, 224 A935); J. Rubb. Res., 16, № 5,
134 A947); 17, 1; 83; 145 A948); 18, 12 A949); Rubb. Chem. Technol.,
21, 918, 936 A948).
3. A. L. Soden, India Rubb. J., 115, 555 A948); J. Rubb. Res., 20, 46
A951); A Practical Manual of Rubber Hardness Testing, Maclaren a. Sons,
London, 1951.
4. S. О b e r t o, Rubb. Chem. Technol., 28, 1054 A955).
5. L. V. Cooper, India Rubb. World., 119, 205, 280 A948).
6. ГОСТ 253—53. Определение твердости резины твердомером ТШМ-2.
7. ASTM D531— 56. Standard Method of Test for Indentation of Rubber by
Means of the Pusey and Jones Plastometer.
8. Admiralty Rubber Meter, J. Rubb. Res., 14, 83 A945).
9. ISOTC 45. Rubber Recommendation R-48.
10. British Standard Methods of Testing Vulcanized Rubber, № 903 A950).
Methods of Testing Vulcanized Rubber, Part 19.
11. ASTM DI415—56T. Tentative Method of Test for International Standard
Hardness of Vulcanized natural and synthetic rubbers.
12. Schweiz. Arch, angew. Wiss. u. Teshn., 20, 374 A954).
13. ASTM D314—52T. Tentative Method of Test for Hardness of rubber.
14. H. A. Daynes, E. B. Johnson, J. R. Scott, Trans. IRI,
6, 63 A930).
15. J. R. Scott, Rubb. Age, 77, № 4, 543 A955); Rubb. Chem. Technol.,
28, № 4, 1071 A955).
16. J. M. В u і s t, R. L. Kenned у, англ. пат. 617465, 1949 г.
17. P. H a n d 1 e r, P. К а і п г a d 1, Kautschuk u. Gummi, 15, WT66 A962).
18. В. В. Овчинников, Г. М. Бартенев, Р. К. Г о л ь н е в а,
Каучук и резина, № 9, 55 A962).
19. R. F. В 1 а с k w е 1 1, Rubb. J., 130, № 3, 68 A956).
20. DIN 53505. Bestimmung der Schore-Harte А, С. D.
21. ГОСТ 263—53. Определение твердости резины твердомером ТМ-2.
22. ASTM D676—58Т. Tentative Method of Test for Indentation of Rubber by
means of a durometer.
23. British Standard Methods of Testing Vulcanized Rubber, № 903 A950),
Part 20.
24. R. H. Taylor, ASTM Bulletin, > 123, 25 A943); L. Lewis,
Proceedings, ASTM, 40, 1239 A940); Phys. Rev., 57, 358 A940).
25. Каталоги фирмы «Уоллес».
26. Б. М. Горел н к, А. В. Ратне р, Каучук и резина, № 3, 41 A962).
27. М. Н а п о к, С. К. Chatten, J. Z. L i"c h t m a n, T. A. W e r-
kenthin, Rubb. Age, 81, 100 A957).
28. R. G. Newton, J. R. Scott, J. Rubb. Res., 9, 91 A940).
29. A. L. So de її, India Rubb. J., 119, 1143A950); 120, 13, 55, 92, 137, 173,
212, 254, 292, 332 A951).
30. M. M. H є у w о о d, Proceed. 1 Rubb. Technol. Confer., London, 1938,
p. 370; Rubb. Chem. Technol., 12, 423 A939).
31. ISO/TC 45 (Italy 6), 152 27-th. October, 1952, Drg. № 3234/1—3 attached
«Memorandum on Micro-Hardness Tester, submitted by Italy».
32. Nash and Thompson, ISO Type Micro-Hardness Tester for Rubber.
33. R. E. Morris, J. M. H о 1 о w a y, ASTM Bulletin, № 222, 45 (TP
113) May, 1957.
Литература 249
34 F N. В. Bennett, Rubb. J., 133, № 9, 300; № 11, 346; № 12, 380,
A957).
35 F. N. В. Bennett, R. Hayes, Plastics, 20, 282 A955). ¦
36. Rev. gen. Caout., 34, 574 A957).
37. S. О ber to (Pirelli Rubber Laboratories, Milan, Italy), Internation.
Rubber Conference, Washington, Nov. 8—13, 1959.
38. J. R. Scott, A. L. Soden (RABRM, England), Internation.
Rubber Conferense, Washington, Nov. 8—13, 1959.
39. ISO/TC 45 (Secretariat-406), 580, September, 1961.
40. M. И. Егорова, Б. А. П а л к и н, Г. Л. С л о н и м с к п у,
Заб. лаб., № 9, 1127 A959).
Глава IV
ИСПЫТАНИЕ РЕЗИН НА УПРУГОСТЬ И ГИСТЕРЕЗИС
В ДИНАМИЧЕСКИХ УСЛОВИЯХ
1. МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА РЕЗИНЫ В УСЛОВИЯХ
ДИНАМИЧЕСКОГО НАГРУЖЕНИЯ
В этом разделе будут рассмотрены особенности
механического поведения резины под воздействием переменных
циклических нагружений. Практическое значение вопроса определяется
тем, что механические свойства резины в условиях
динамического нагружения для основных и наиболее важных
применений (в автомобильных и авиационных шинах, в шинно-пневма-
тических муфтах, резино-пневматических рессорах, клиновых
ремнях, амортизаторах и т. п.) целиком определяют
работоспособность, надежность и долговечность наиболее ответственных
элементов соответствующих конструкций.
Выбор резины с оптимальными свойствами применительно
к конкретным особенностям динамического режима,
реализуемого при эксплуатации тех или иных изделий, должен
базироваться на знании комплекса показателей, характеризующих:
а) взаимосвязь между напряжениями и деформациями при
циклическом нагружений (упруго-гистерезисные свойства);
б) взаимосвязь между динамическими напряжениями и
выносливостью резин, т. е. числом циклов нагружения, которое
может выдержать образец данного материала, не разрушаясь
(усталостно-прочностные свойства).
Упруго-гистерезисные свойства
Относительно сложный характер взаимосвязи между
динамическими напряжениями и деформациями при циклическом
нагружений резины обусловлен релаксационной природой вы-
сокоэластичности.
Простейшим видом динамического нагружения является
синусоидальный, когда напряжение (/) изменяется во времени по
закону:
/ = /0 sin at A)
/. Механич. свойства резины в условиях динамич. погружения 251
где fo — амплитудное значение напряжения;
t — время;
со — круговая частота, связанная с периодом колебания
нагрузки v соотношением:
со = 2u/v
Синусоидальный, или гармонический, режим нагружения
реализуется почти во всех приборах, используемых для
исследования упруго-гистерезисных свойств резины.
Во многих случаях, однако, практический интерес
представляют негармонические режимы. Так, например, динамический
режим нагружения шинных резин при эксплуатации
негармоничен; рабочий цикл состоит в этом случае из
кратковременного импульса нагружения, за которым следует период
относительно продолжительного «отдыха».
В дальнейшем будет рассматриваться, однако,
преимущественно гармонический режим, как вследствие его относительной
простоты, так и потому, что практически всегда имеется
принципиальная возможность математическим путем представить
любой негармонический режим суммой гармонических
составляющих.
При гармоническом режиме динамического нагружения
релаксационные свойства резин проявляются двояко: ,во-впервых,
динамический модуль резины, определяемый как отношение
амплитуды напряжения к амплитуде деформации, зависит от
частоты; во-вторых, деформация всегда несколько отстает ог
соответствующего напряжения и это проявляется в характерном
сдвиге фаз между ними. Если напряжение изменяется по
закону A), то деформация в первом приближении может быть
описана синусоидой, сдвинутой относительно синусоиды
напряжений на некоторый угол ф, называемый углом сдвига фаз, т. е.
г = є0 sin (at — ф) " B)
Согласно данному выше определению, динамический модуль
равен:
Е = /0/е0 C)
Соотношение C) характеризует динамическую упругость
резины. Как будет показано ниже, оно является первым
приближением, соблюдающимся тем точнее, чем меньше амплитудное
значение деформации.
Важнейшим следствием сдвига фаз между напряжением и
деформацией является динамический гистерезис, приводящий к
252 Гл. IV. Испытание резин на упругость и гистерезис в динам, условиях
механическим потерям и теплообразованию при циклическом
нагружении резины.
В самом деле, энергия q, рассеиваемая в единице объема за
цикл нагружения, дается интегралом:
D)
который после подстановки значений из формул A) и B)
принимает вид:
2я/(й
q = (o/0s0 I sinwi cos (at — ф) dt
о
После интегрирования и подстановки пределов получаем:
E)
откуда следует, что механические потери за цикл
пропорциональны синусу угла сдвига фаз, который называют иногда
поэтому углом потерь.
Таким образом, динамический модуль Е и угол потерь <р
в совокупности позволяют достаточно полно характеризовать
упруго-гистерезисные свойства резины. Надо, однако, иметь
в виду, что как Е, так и ф в ряде случаев существенно зависят
не только от температуры, но и от механических параметров
режима нагружения и прежде всего(; от частоты, о чем
подробнее будет сказано ниже.
Для количественной характеристики упруго-гистерезисных
свойств резины в условиях динамического нагружения, помимо
динамического модуля и угла сдвига фаз, применяются и другие
показатели.
Наибольший интерес представляет комплексный модуль,
применение которого основывается на широко распространенном
методе описания колебательных процессов с помощью
комплексных чисел.
Как известно, комплексное число:
г* = а + ib
где i=i/~—1, может быть представлено точкой на координатной комплексной
плоскости. Для этой цели иа плоскости (рис. 127) выбирают две взаимно
перпендикулярные оси, одна из которых является осью действительных чисел (к),
а другая—осью мнимых чисел (у).
/. Механич. свойства резины в условиях динамич, нагружения 253
Любая точка М (а, Ь) на этой плоскости однозначно определяет
комплексное число г*. Точку М можно, однако, характеризовать также длиной вектора г
и углом -f, образуемым им с положительным направлением оси х.
Отсюда комплексное число можно представить себе следующим образом:
г* = a -J- Л = z cosb — іг sin с
или, на основании известной теоремы Эйлера:
= ге
.'Ф
Здесь
і = | г* | = /а2 +
tg ~ = Ь/а
Величину z называют модулем комплексного
числа, <f—аргументом.
Применение комплексного метода описания
колебательных процессов базируется на том,
что при суммировании двух комплексных чисел
действительная и мнимая части суммируются
отдельно, т. е.:
(а + ib) -Mr -г id) = {а + с) + і (Ь + d)
Рис. 127. Представление
комплексного числа
г *=a-\-ib на плоскости
хоу (г—длина векто ра
9—угол с осью ох).
Так, если напряжение изменяется по косинусоидальному закону: f=/
то это может быть записано комплексным числом f*=fue'at, если приписывать
физический смысл только действительной, или вещественной, части этого числа.
Таким образом, проводя те или иные операции над комплексными числами,
символически представляющими напряжения и деформации, в конечном
результате следует выделить действительную часть, характеризующую
результирующее напряжение (либо деформацию), имея в виду, что, согласно
рассмотренному выше свойству комплексных чисел, вещественная часть решения не
зависит от мнимых частей суммируемых чисел.
Наиболее существенным преимуществом метода комплексных параметров
является возможность замены операций дифференцирования и интегрирования
простым умножением.
Так, если
г = и?ш
4*-
= «of*
254 Гл. IV. Испытание резин на упругость и гистерезис в динам, условиях
Применяя метод комплексных чисел к рассматриваемому
случаю синусоидального нагружения резины, можно написать:
/ = ЇФШ F)
- ч>> G)
Комбинируя уравнения C), F) и G), получаем:
f = fieftPs = ?*s = (?' +iE")e = E' (\ + і-|1-\е =
(8)
Физической основой метода комплексных параметров
является разложение периодической функции, описывающей
циклическое нагружение, на две составляющие: одну —
совпадающую по фазе с функцией деформации, другую — сдвинутую
относительно нее на угол я/2. Вещественная (Е') и мнимая
(?"), составляющие комплексного динамического модуля Юнга
есть коэффициенты пропорциональности между
соответствующими амплитудными значениями напряжения и деформаций.
Динамический модуль, или коэффициент
пропорциональности между амплитудой напряжения и амплитудой деформации
(сдвинутой относительно напряжения на угол <р), выражается
через компоненты комплексного модуля соотношением:
2 + (?'Т (9)
Если в формуле E) выразить simp как отношение Е"/Е и
заменить его значением из отношения C), то получается
соотношение:
из которого следует, что їв условиях постоянства амплитуды
задаваемых циклических деформаций мнимая составляющая
комплексного модуля непосредственно характеризует
способность резины к рассеянию упругой энергии при циклическом на-
гружении, т. е. ее внутреннее трение.
Во многих работах мнимая составляющая комплексного
модуля называется поэтому модулем потерь.
Таким образом, метод комплексного модуля позволяет
характеризовать упруго-гистерезисные свойства двумя
независимыми показателями (?' и Е"), один из которых характеризует
только упругость, а другой — только внутреннее трение.
/. Механич. свойства резины в условиях динамич. нагружения 255
В ряде случаев, особенно при изучении зависимости упру-
го-гистерезисных свойств от состава резины, метод
комплексного модуля позволяет более четко выявить общие физические
закономерности, чем при использовании угла сдвига фаз,
который, как это видно из формулы (8), зависит и от упругости
(?'). и от внутреннего трения (?")-
Комплексный модуль, так же как угол сдвига фаз, применим
к описанию механического поведения резины только в условиях
гармонического нагружения. Поскольку на практике часто
приходится сталкиваться с негармоническими режимами, следует
упомянуть еще о двух показателях: относительном гистерезисе
(Г) и модуле внутреннего трения (К), которые могут с успехом
применяться и о других случаях.
Относительный гистерезис есть отношение механических
потерь к полной энергии цикла (W):
r = q/W=2q/Es2 A1)
Модуль внутреннего трения (Л) определяется как удвоенное
значение удельных механических потерь цикла при единичном
значении амплитуды динамической деформации.
Для относительно небольших амплитуд Д' рассчитывается
в предположении, что механические потери цикла
пропорциональны квадрату динамической деформации [как в соотношении
A0)], т. е. принимается:
К = 2q/el A2)
Сравнение выражений A0) и A1) показывает, что б случае
гармонического нагружения модуль внутреннего трения
отличается от мнимой составляющей комплексного динамического
модуля лишь постоянным множителем Bл).
Приводимые ниже соотношения, справедливые
применительно к гармоническому режиму нагружения, дают связь между
всеми рассмотренными здесь и имеющими практическое
значение показателями гистерезисных свойств:
sincp = Е"/Е = -^ = '-^-Е A3)
Е" = Е sin Ф = -з=- = /С/2* A4)
Г = 2т, sincp = 2кЕ"/Е = K/E A5)
r? = 2icE" A6)
256 Гл. IV. Испытание резин на упругость и Шстерезис в динам, условиях
Поскольку площадь
ческим потерям цикла,
Графически связь между напряжением и деформацией при
рассмотренном синусоидальном режиме нагружения резины
изобразится в виде некоторой замкнутой эллиптической петли
(рис. 128).
этой петли пропорциональна мехами-
она получила название гистерезисной
петли, или петли гистерезиса.
Зависимость формы этой петли от
основных параметров режима и упруго-
гистерезисных свойств резины ясна
из рис. 128.
Зависимость упруго-гистерезисных
характеристик от условий
нагружения и некоторые теоретические
представления
Одной из основных задач теории
упруго-гистерезисных свойств
резины является умение предсказать ее
поведение при любых динамических
режимах на основании опытных дан
ных, полученных в результате
минимального количества
лабораторных испытаний. Для решения этой
задачи необходимо выявить, как
зависят показатели
упруго-гистерезисных свойств от основных
параметров, характеризующих условия
испытания. Наибольшее число
проведенных в этой области исследований посвящено влиянию
температуры и частоты, поскольку оба эти параметра наиболее
непосредственно связаны с релаксационной природой высокоэла-
стичности резины.
В разделе, посвященном релаксационным свойстзам резины,
проявляющимся при статических режимах нагружения, была
рассмотрена приближенная трехэлементная модель (см.
рис. 35, б, стр. 101). Так же получено дифференциальное
уравнение деформации этой модели, имеющее вид:
±--Е — — g-?-? A7)
Рис. 128. Петля
динамического гистерезиса и ее
параметры: E=\EZ\—комплексный
модуль; Е' и Е"—вещественная и
мнимая составляющие
комплексного модуля, є0,
f0—амплитудные значения
деформации и напряжения; а—угол
сдвига фаз.
где
?«,=
/. Механич. свойства резины в условиях динамич. погружения 257
Индекс «ф» при т указывает на то, что при динамических
'испытаниях определяющее значение имеет физическая релаксация.
Рассмотрим механическое поведение при динамическом синусоидальном
иагружеини идеализированного материала, механические свойства которого
описываются уравнением A7). Пользуясь методом комплексных амплитуд и
параметров, запишем, что при a=aoemt и є=є0е''со'—ф' соответствующие
производные по времени будут иметь вид:
da de
После подстановки этих значений в соотношение A7) имеем:
ИЛИ
1 -\- г'шт
Чтобы избавиться от иррациональности в знаменателе, умножим числитель
и знаменатель на 1—imz, после чего получаем:
Сопоставляя выражения A8) и (8), видим, что выражение в квадратных
скобках есть комплексный модуль, компоненты которого соответственно равны:
Е" = (?о-Д-) ^ A9б)
1 \ UJX2 V '
Отсюда же следует выражение для тангенса угла сдвига фаз между
напряжением и деформацией:
Соотношения A9а,б) и B0) интересны тем, что качественно правильно
передают общий характер зависимости Е', Е" и tgy от частоты динамического
нагружения.
Если по оси абсцисс отложить параметр от, а по оси
ординат составляющие комплексного модуля, то анализ соотноше-
17—2406
258 Гл. IV. Испытание резин на упругость и гистерезис в динам, условиях
ний A9а, б) приводит к зависимостям, общий характер
которых представлен на рис. 129.
Как уже указывалось, дифференциальное уравнение A7),
содержащее лишь одну кинетическую константу, недостаточно
для количественного описания закономерностей механического
поведения резины. Это полностью относится и к
рассматриваемым динамическим режимам нагружения резины. Следующим
широко используемым приближением является замена периода
релаксации t некоторы-м набором констант, описываемым
непрерывной функцией распределения.
С введением предположения о релаксационном наборе выражения для
?' и Е" принимают вид:
+ ¦
B1а)
С A—?«./?„) <вт
Е" = Ео) 1 + 0,42 L (ІП Т) d ІП Т
где L(lnx)—нормализованная функция распределения времен релаксации,
определяемая опытным путем.
Из соотношений Bio, б), как частное решение при ?оо-»-0, могут быть
получены выражения:
1 + Ю2Т2 L(\nz)d\nz B2)
Е" = Е0 \ . , о 2 L (in т) dint B3)
нашедшие широкое применение в реологии для описания динамических свойств
линейных полимеров.
В уравнения A9)—B3) период релаксации t входит как
один из множителей безразмерного параметра cot. Значение
параметра определяется частотой возмущающей силы, с одной
стороны, и свойствами деформируемой резины, — с другой.
Свойства резины характеризуются значением t, которое, как было
уже установлено, тем больше, чем интенсивнее
межмолекулярное взаимодействие в полимере. Для данной резины t резко
зависит от температуры, экспоненциально уменьшаясь с ее
повышением [см. соотношение G), стр. 34].
/. Механич. свойства резины в условиях динамич. нагружения 259
Физически безразмерный параметр сот имеет смысл
коэффициента, пропорционального отношению средней
продолжительности периода тепловых колебаний некоторого
кинетического элемента структуры к периоду колебаний внешней
силы.
Если ют 5>1, то высокоэластические деформации не успевают
проявляться и материал ведет себя как квазиупругий; если,
наоборот, ит « I, то соответствующие деформации успевают
развиться полностью. В промежуточной области, когда значения
cot соизмеримы с единицей, имеет место переходное состояние,
при котором
высокоэластическая деформация разви- Е',Е"
вается лишь частично.
Естественно, что в этой области
сдвиг фаз, а следовательно,
и гистерезис — наибольшие.
Определяющее значение
безразмерного параметра
ыт приводит к двум важным
следствиям:
а) возрастание частоты
динамического нагружения
при постоянной температуре
должно влиять на
определяемые характеристики уп-
руго-гистерезисных свойств
качественно так же, как
снижение температуры;
б) частота и температура взаимозаменяемы так, что
условие сохранения заданного значения динамических характеристик
может быть соблюдено, если произвольное изменение одного из
параметров сопровождается соответствующим изменением
другого.
Оба эти следствия нашли достаточно полное
экспериментальное подтверждение, хотя получение опытных данных по
зависимости динамических свойств от частоты, изменяемой в
достаточно широких пределах (при постоянной температуре)
сопряжено с большими экспериментальными трудностями. В этой
связи очень важно, что следствие (б) смогло стать основой
для разработки метода приведения1, позволяющего получить
весьма полные сведения о частотной зависимости динамических
свойств на основании измерений, проведенных в ограниченном
интервале измерения частоты, но при разных температурах.
Метод приведения основан на подтвержденном большим
опытным материалом допущении, что температурная зависи-
Рис. 129. Общий характер зависимости
Е' и Е" от параметра от для
материала, свойства которого соответствуют
модели рис. 38, б (см. стр. 101).
17*
260 Гл. IV. Испытание резин на упругость и гистерезис в динам, условиях
мость -всего набора времен релаксации данного полимера одна
и та же, и, следовательно, изменение температуры должно
приводить к смещению кривых Е'(ы) и Е"(<о) вдоль оси частот.
Схематически это показано для Е' на рис. 130.
Поскольку по оси абсцисс отложены логарифмы частоты,
такое смещение аналогично умножению начальной частоты
на некоторый коэффициент,
приведения
Е'\
или фактор,
ат, т. е.
Ідо),
Хдв
где Е и Ео — значения модуля
при температурах Т и То
соответственно.
В следующем приближении
нужно учесть изменение
плотности (р) за счет теплового
расширения и то
обстоятельство, что эластичность резины,
коль скоро она имеет
энтропийную природу, должна быть
пропорциональна абсолютной
температуре.
Окончательно уравнения приведения записываются
следующим образом:
Рис. 130. Общий характер влияния
температуры на зависимость ?' от
частоты ш:
Т\ и Ті—температуры; ш^=ы1 а
где
а —фактор приведения.
-1^.Еш
І
B4)
где значения Е', Е" и плотности р соответствуют температуре Т,
а значеаия Ео', Ео" и р0 — температуре То. Фактор ат есть
множитель, характеризующий изменение релаксационного спектра
при переходе от температуры То к температуре Т.
Температура приведения может быть выбрана произвольно.
Естественно, что функции ат различных полимеров при одной и
той же температуре приведения окажутся различными. Если
подобрать, однако, для каждого полимера свою температуру
приведения, то можно описать температурную зависимость ат
универсальной функцией, имеющей вид:
1- Механич. свойства резины в условиях динамич. нагружения 261
где Т8 — специфическая температура приведения, которая
может быть произвольно выбрана для одного
полимера и индивидуально подбирается для
других, с ним сопоставляемых;
С{ и С2 — константы, зависящие от выбора температуры
'приведения.
В дальнейшем было показано, что специфическая
температура приведения практически совпадает с температурой
стеклования полимера Тс либо отличается от нее на некоторую
произвольную постоянную АГ, одинаковую для всех
сопоставляемых полимеров. При TS = TC константы принимают следующие
значения: С{ = 17,44 и С2 = 51,6.
Эмпирическая формула B5) справедлива, однако, лишь
в области температур выше Тс. Поэтому в качестве
специфической температуры приведения удобно пользоваться
температурой Гс + 50Х. В последнем случае универсальное
соотношение B5) оказывается справедливым в интервале Гс-нГс+100°С
при значениях постоянных: Cj = 8,86 и С2= 101,6.
Из соотношения B5) следует простой способ определения
отношения частот (о/(оь соответствующего изменению
температуры от некоторого значения Г до 7^ в произвольно выбираемом
интервале. Заметив, что ат = «/о)то> а атх = ю/и)гоимеем:
B6)
Подставляя в выражение B6) значения от из соотношения
B5), получим:
или, принимая Та—Тс + БОсС и используя приведенные выше
численные значения констант, получим окончательно:
900 (Г — Ті)
A02 + Ті — Ts) A02 + Т — Ts)
Соотношение B7) оказывается приблизительно
справедливым для большинства резин и особенно хорошо соблюдается,
262 Гл. IV. Испытание резин на упругость и гистерезис в динам, условиях
если амплитуда динамических деформаций лежит в интервале
3-5%.
Практическое значение соотношения B7) в том, что оно дает
возможность рассчетным путем получить зависимость Е' и Е"
от частоты при данной температуре, если имеются опытные
данные по зависимости этих характеристик от температуры при
данной частоте.
Рис. 131. Приведенная вещественная часть модуля G'
невулканизованного натурального каучука в зависимости
от частоты (л (То=0 °С). (Цифрами на кривых указаны
температуры, °С.)
Возможности метода приведения иллюстрируются данными
рис. 131 —1332. На первых двух представлена зависимость
составляющих комплексного модуля сдвига G' и G" невулканизо-
ванной резины на основе натурального каучука от частоты,
изменяемой в интервале 0,01 до 10 гц, при различных
температурах (от +60 до —73°С).
/. Механич. свойства резины в условиях динамич. погружения 263
График на рис. 133, полученный методом приведения, дает
зависимость динамических характеристик от частоты,
изменение которой распространяется на 16 порядков. Этот рисунок,
Рис. 132. Приведенная мнимая часть модуля G"
невулканизованного натурального каучука в
зависимости от частоты м (Т0=0°С). (Цифрами
на кривых указаны температуры, °С.)
Ю
10і
Рис. 133. Обобщенные кривые зависимости динамических
свойств невулканизованного натурального каучука от
приведенной частоты (из рис. 131 и рис. 132):
-f—G'\ 2—G"; a —фактор приведення.
264 Гл. IV. Испытание резин на упругость и гистерезис в динам, условиях
25
го
-о-
\
г
г
\
-о-
помимо возможностей метода приведения, иллюстрирует и тот
факт, что общий характер зависимости динамических свойств
от частоты действительно согласуется с графиком,
приведенным на рис. 129 и полученным из анализа простой
трехэлементной модели с одним периодом релаксации. Основное
отличие реально наблюдаемой частотной зависимости Е' и Е"
(см. рис. 129) от приведенной на рис. 133 заключается в том,
что в действительности частотный интервал, соответствующий
переходу полимера из застеклованного в высокоэласгическое
состояние, гораздо шире рассчетно-
го, т. е. в действительности
переход осуществляется значительно
менее резко, чем этого можно
было бы ожидать, основываясь
на модели с одним периодом
релаксации.
Метод приведения нашел
применение и для характеристики
динамических свойств
технических резин. Следует отметить,
однако, что большинство резиновых
изделий, работающих в условиях
многократного нагружения,
эксплуатируются при сравнительно
низких частотах. С практической
точки зрения, для шинных резин,
например, частота 100 гц
является достаточно высоким
верхним пределом. Если, как это
обычно бывает, температура
существенно выше температуры
стеклования, то зависимость динамических характеристик от
частоты, в ограниченном таким образом интервале, обычно не
очень существенна. Иллюстрацией к сказанному могут служить
данные, представленные на рис. 134124.
Следует отметить, что при негармоническом нагружении,
примером которого может служить режим работы шинных
резин, зависимость динамических свойств от частоты либо
скорости нагружения в общем аналогична наблюдаемой при
гармоническом нагружении, хотя в первом случае влияние
временного фактора на определяемые значения гистерезисных
характеристик оказывается несколько более существенным.
Хотя © многочисленных экспериментальных работах
динамические свойства резины изучались при различных видах
напряженного состояния растяжение, сжатие, сдзиг), специальных
25 SO 75 tOO t25 /SO
Частота, аи.
Рис. 134. Зависимость
динамических характеристик (Е' и Е") от
частоты динамического
нагружения при температуре 25 °С;
амплитуда деформации—0,5%):
/—наполненная резина на оенове НК:
2—ненаполненыая резина на основе
Джи-Ар-Эс.
/. Механич. свойства резины в условиях динамич. нагружения 265
исследований по влиянию типа деформации на определяемые
значения улруго-гисгерезисных характеристик, по-видимому.
не проводилось. Это, очевидно, связано с тем обстоятельством,
что для резин 'В высокоэластическом состоянии различие между
объемной сжимаемостью и модулем сдвига столь велико, что,
по -существу, любые деформации (за исключением объемного
сжатия либо всестороннего растяжения) осуществляются за
счет -сдвигов. Математическим следствием этого является то
обсуждающееся уже обстоятельство, что в температурно-зремен-
ном интервале, обеспечивающем высокоэластическое состояние.
коэффициент Пуассона для любых резин близок к 0,5 и,
следовательно, в области относительно малых деформаций модуль
Юнга равен утроенному значению сдвигового модуля.
Вопрос о влиянии величины деформации на определяемые
значения упруго-гистерезисяых характеристик изучался в ряде
работ, при различных видах нагружения. Общая
закономерность, наблюдаемая при растяжении, сжатии и сдвиге, такова,
что увеличение деформации приводит к снижению как
вещественной, так и мнимой составляющих комплексного
динамического модуля. При этом характер деформационной
зависимости обоих показателей аналогичен, так что их отношение, а
следовательно, и относительный гистерезис (Г), и синус угла
сдвига фаз (sirup) практически не зависит от величины
деформации.
Для характеристики зависимости комплексного
динамического модуля и его составляющих от амплитуды динамической
деформации нашло применение эмпирическое соотношение2:
Е = Е0А-" B8)
где Ео— значение динамического модуля при /1 = 1;
А — амплитуда деформации, %;
п—безразмерный коэффициент нелинейности, возможные
значения которого ограничены интервалом 0<ге<0,6.
Примерное представление о значениях п для разных резин
дает табл. 7.
Соотношение B8) теряет смысл, когда амплитуда
динамической деформации стремится к нулю. Практическая область
его применимости ограничивается нижним значением А«0,5%.
На рис. 135 приведены экспериментальные данные по
зависимости динамического модуля от амплитуды деформации в
области весьма малых ее значений (менее 1%J, а на рис. 136 —
те же зависимости, полученные расчетным путем из
соотношения B8), для амплитуды деформации, изменяющейся в
широких пределах (до 50%). По оси ординат на рис. 136 отложены
266 Г.;. IV. Испытание резин на упругость и гистерезис в динам, условиях
Таблица 7
Значения коэффициентов нелинейности п для резин
на основе различных каучуков2
Каучук
нк
БСК
Бутилкаучук ....
Хлоропреновий . . .
Резина
ненаполненная
0,09
0,15
0,23
0,10
наполненная 50
объемными частями
активной сажи (на 100 вес.
ч. каучука)
0,42
0,30
0,60
0,31
?.
Рис. 135. Зависимость динамического модуля
от амплитуды деформации для ненаполкеинон
и наполиеиной резни. (Цифры у кривых
обозначают содержание активного наполнителя, в
объеми. %.)
SO
Рис. 136. Зависимость расчетного значения
относительного динамического модуля от амплитуды
деформации:
/1—безразмерный коэффициент нелинейности.
1. Механич. свойства резины в условиях динамик, погружения 267
относительные значения модуля (модуль при Ео=1О% принят
за единицу).
Зависимость динамического модуля от амплитуды тем
существеннее, чем выше содержание наполнителя в резине. Для
ненаполненных вулканизатов на основе НК зависимостью
динамического модуля от амплитуды деформации практически
можно пренебречь.
Существенно, что при амплитудах меньше 0,1% модуль
практически не зависит от деформации для всех резин.
Вопрос о зависимости динамических свойств резины от
величины задаваемых деформаций имеет еше один аспект. По
существу, до сих пор рассматривался лишь симметричный цикл.
Иными словами, принималось, что синусоидально изменяющаяся
во времени деформация (или напряжение) накладывается на
недеформированный (ненапряженный) образец. При этом
деформация изменяется в пределах —ео<є< + єо, а среднее ее
значение за цикл разно нулю.
Практически часто приходится сталкиваться с
несимметричными циклами, когда синусоидально изменяющееся во
времени напряжение (или деформация) накладывается на уже
напряженный (деформированный) материал. Для
характеристики несимметричного цикла, помимо амплитудных значений,
нужно знать среднюю (либо так называемую статическую)
составляющую деформации (напряжения).
Простейшим примером несимметричного цикла может
служить работа резинового амортизатора. Средняя составляющая
напряжения обусловлена в этом случае весом амортизируемого
тела, а динамическая составляющая — передаваемыми на это
тело вибрациями.
В частном случае простого одноосного напряженного
состояния, когда направления статической и динамической
составляющих совпадают, несимметричный режим нагружения может
быть описан соотношениями:
[ B9
г = г + s0 sin (ш* — ф) C0)
При несимметричных циклах нагружения упруго-гистерезис-
ные характеристики резины _могут з_ависеть также от значения
статических составляющих (/ или є).
Деформационная зависимость упруго-гистерезисных свойств
связана главным образом с характерной для резины
нелинейностью соотношения между напряжениями и
деформациями даже в условиях равновесия. Схематически это показа-
268 Гл. IV. Испытание резин на упругость и гистерезис в динам, условиях
но на рис. 137, из которого видно, что наклон кривой /—є,
характеризующий равновесное значение дифференциального
модуля, существенно зависит от средней составляющей.
Как было уже показано, связь между напряжением и
деформацией при простом растяжении удовлетворительно
описывается соотношением:
с __
е+1
C1)
Рис. 137. Зависимость динамического модуля
Е от величины средней деформации цикла ( е):
f, г—напряжение и деформация; е \ є г —средние
деформации; oti, од—углы наклона петли динамического
гистерезиса, характеризующие модуль Е\ so—амплитуда
динамической деформации.
Дифференцируя уравнение C1), получаем:
dfco ?-1 1
dz (в -f- IJ
C2)
В согласии с соотношением C2) зависимость комплексного
динамического модуля и его составляющих от средней
деформации цикла приближенно описывается соотношением:
Е (ё) = const
C3)
которое в общем удовлетворительно согласуется с опытом в
области значений є, не превышающих 150—200%.
/. Механич. свойства резины в условиях динамич. погружения 269
Влияние других простых, а также сложных видов
статического нагружения на определяемые значения упруго-гистерези-
сных характеристик пока не изучено.
Влияние состава резины на ее упруго-гистерезисные
свойства
Выше было показано, что динамический модуль всегда
растет с повышением частоты нагружения. Отсюда следует, что
динамический модуль всегда выше равновесного,
соответствующего предельному режиму, когда частота стремится к нулю,
т. е. нагружение осуществляется бесконечно медленно.
Динамический модуль резины может рассматриваться как
сумма двух составляющих: равновесной (?оо) и неравновесной,
представляющей ту часть динамической упругости, которая
обусловлена незавершенной релаксацией.
Как уже указывалось, равновесный модуль определяется
густотой вулканизационной сетки и. в первом приближении не
зависит от межмолекулярного взаимодействия. Неравновесная
составляющая (так же как и модуль внутреннего трения),
наоборот, определяется з первую очередь этим
межмолекулярным взаимодействием. Поскольку эффект вулканизации связан
с развитием и образованием пространственной сетки и по
крайней мере на первой стадии не сопровождается
существенным изменением межмолекулярного взаимодействия,
естественно, что наблюдаемый при вулканизации рост динамического
модуля происходит за счет его равновесной составляющей.
Зависимость динамического модуля (?), его равновесной
составляющей (?оэ) и модуля внутреннего трения (К) от степени
вулканизации показана на рис. 138.
При изучении влияния природы полимера на динамические
свойства вулканизатов установлено, что модуль внутреннего
трения, так же как и неравновесная составляющая
динамического модуля, тем выше, чем выше межмолекулярное
взаимодействие в полимере. В согласии с рассмотренными в
предыдущем разделе представлениями для резин из различных каучу-
ков обнаружена также определенная взаимосвязь между
значениями модуля трения, определенными при данной
температуре, и температурами стеклования соответствующих
полимеров.
Влияние молекулярной массы полимера ка динамические
свойства изготовленных на его основе вулканизатов
незначительно.
С практической точки зрения, наибольшее значение имеет
вопрос о влиянии активных наполнителей. Сложность его
270 Гл. IV. Испытание резин на упругость и гистерезис в динам, условиях
SO
чг
го
ю
>5М
заключается, однако, в том, что наполненные резины обладают
резко выраженной тиксотропией, приводящей к существенной
зависимости свойств от механической предыстории. Поэтому,
в частности, зависимость определяемых динамических
характеристик от амплитуды динамических деформаций в
наполненных резинах выражена
гораздо резче, чем в нена-
аолненных.
Зависимость упруго-гис-
герезисных свойств резины
эт содержания наполнителя
такова, что динамический
модуль, так же как и
модуль внутреннего трения,
растет с наполнением тем
резче, чем активнее
применяемый наполнитель.
Для раздельного
рассмотрения вопроса о
зависимости равновесной и
неравновесной составляющих
динамического модуля от
степени наполнения
необходимо уточнить понятие упру-
Содержание связанной серы
Рис. 138. Зависимость динамического
модуля Е, равновесного модуля Есс
и модуля внутреннего трения К вул-
канизатов НК от содержания
связанной серы.
гого равновесия
применительно к наполненным
резинам.
Если в соответствии с
ранее проведенным
рассмотрением принять, что
истинное значение
равновесного модуля определяется только степенью вулканизации и не
зависит от природы и содержания наполнителя, то следует
считать, что рост динамического модуля с наполнением
происходит только за счет неравновесной составляющей, причем эта
последняя может быть приближенно определена как разность
между динамическим модулем испытуемой резины и
равновесным модулем ненаполненной резины того же состава и той же
степени вулканизации.
Как в ненаполненных, так и в наполненных резинах
пластификаторы приводят к уменьшению модуля внутреннего трения
и, как правило, понижают температуру стеклования.
Зависимость динамического модуля от содержания пластификатора
обусловлена изменениями его равновесной и неравновесной
составляющих.
/. Механич. свойства резины в условиях динамич. погружения 271
Влияние пластификатора на равновесный модуль может
быть приближенно учтено соотношением:
?<* (пластиф.) = ?°° (cyx.)u 1
где v есть удельное объемное содержание полимера в системе,
разбавленной введением пластификатора.
С ростом содержания пластификатора неравновесная часть
динамического модуля уменьшается аналогично модулю
внутреннего трения. Такого рода зависимость естественна,
поскольку введение пластификатора уменьшает взаимодействие
между звеньями молекулярных цепей и облегчает их взаимные
перемещения.
При изучении общих закономерностей зависимости упруго-
гистерезисных свойств резины от ее состава обнаруживается
универсальная взаимосвязь между модулем внутреннего трения
и неравновесной частью ее динамического модуля3. Эта
взаимосвязь может быть записана в виде эмпирического соотношения
К ?^const^0,5 C5)
— Е,
имеющего, по-видимому, достаточно общий характер и большое
прикладное значение при анализе влияния состава резины на
механические потери при различных режимах динамического
нагружения.
Механические потери при различных режимах динамического
нагружения
При многократных деформациях, осуществляемых с
достаточно высокой частотой, механические потери цикла, или
потери на гистерезис, приводят к разогреву резины,
оказывающему весьма вредное влияние как на ее усталостную прочность,
так и на прочность связи между элементами сложных
многослойных резиновых, резино-тканевых, резино-металлических и
других конструкций.
При выборе резины, обеспечивающей минимальное
теплообразование, первоочередной задачей является анализ
динамического режима ее нагружения в условиях эксплуатации
соответствующих изделий. При этом решающее значение имеет
анализ режима работы резины с точки зрения разделения
основных механических параметров на незазисимо задаваемые
(определяемые внешними условиями нагружения) и перемен-
272 Гл. IV. Испытание резин на упругость и гистерезис в динам, условиях
ные (определяемые упругими и релаксационными свойствами
резины).
В простейшем случае симметричного нагружения
рассматривают обычно режимы заданных: а) динамических
деформаций; б) динамических напряжений, в) динамической энергия
цикла.
Из рассмотренных выше соотношений C) и A2) следует,
что удельные механические потери цикла q могут быть
определены следующим образом:
1гг2 * Ар 1 Д й
Если выразить динамический модуль суммой равновесной
и неравновесной составляющих и воспользоваться
соотношением C5), последнее выражение может быть представлено
в форме:
Ч 9 JV о / ?га \ -о/о
C7)
2(/с + :
В полученном соотношении удельные механические потери
цикла для трех рассмотренных режимов выражены в
зависимости от модуля внутреннего трения и равновесного модуля
соответствующих резин.
Из уравнения C7) и приведенных выше данных следует,
например, что наполнение приводит к резкому росту
теплообразования, если резина работает в режиме заданных деформаций;
к значительно меньшему (замедляющемуся с увеличением
содержания наполнителя) росту, если резина работает в режиме
заданной энергии цикла; к снижению теплообразования, если
осуществляется режим заданных напряжений.
Таким образом, влияние наполнителя на удельное
теплообразование, в зависимости от реализуемого динамического
режима, может быть как положительным, так и отрицательным.
Отсюда ясно, насколько важное значение имеет тщательный
анализ динамического режима нагружения резины в каждом
конкретном случае.
2. Методы определения динамических свойств резины 273
2. МЕТОДЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ДИНАМИЧЕСКИХ
(УПРУГО-ГИСТЕРЕЗИСНЫХ) СВОЙСТВ РЕЗИНЫ
Деформационные, или упруго-гистерезисные свойства
резины в динамических условиях могут определяться как на тех же
приборах, что и усталостно-прочностные свойства
(универсальные машины), так и отдельно.
Чаще выгоднее проводить раздельно сравнительно
кратковременные испытания по нахождению упруго-гистерезисных
свойств при относительно малых (для резины) деформациях
на маломощных машинах, используя соответствующую более
точную измерительную аппаратуру, и длительные испытания на
усталостную выносливость, форсируя режимы испытания и
повышая производительность прибора пугем одновременного
испытания большого числа образцов.
В то же время неразумно разделять испытания по
определению динамических модуля и гистерезиса, так как для
характеристики резины обычно требуются оба показателя, а
одновременное их определение не приводит к особому усложнению
или к нерациональному использованию испытательного прибора.
В настоящей главе рассматриваются методы определения
улруго-гистерезисяых динамических свойств резины. Эти
методы могут быть разделены на следующие основные группы:4
1) определение эластичности по отскоку;
2) измерение частоты и затухания свободных колебаний;
3) измерение параметров вынужденных колебаний в уело
зиях резонанса и в его отсутствие;
4) измерение скорости распространения и затухания еолн
звуковых и ультразвуковых частот @,5—50 кгц).
Последняя группа методов, наряду с методами, основанными
на других принципах измерения —¦ самопроизвольном
сокращении" резины8'9, автоколебаниях10' п и т. п., — применяется в
отдельных исследованиях124 и, представляя научный интерес,
имеет, однако, ограниченное распространение для технических
и контрольных испытаний.
В разделе 1 этой главы были рассмотрены динамические
свойства резин при вынужденных колебаниях в стационарном
режиме, когда инерционные эффекты и влияние скорости
распространения и затухания волн в резиновых образцах
пренебрежимо малы и могут не учитываться при испытании.
В случаях измерения параметров вынужденных колебаний
з условиях резонанса, при ударных -испытаниях и измерениях
частоты и затухания свободных колебаний инерционными
силами пренебрегать нельзя.
Поскольку расчеты динамических свойств при этом
существенно усложняются, для описания механического поведения
18—2406
274 Гл. IV. Испытание резин на упругость и гистерезис в динам, условиях
пользуются25 дифференциальным уравнением движения
системы массой m с линейными упругими с и вязкими Ь
характеристиками:
F(t) = m-$g-+cx + b-%- C8)
где F(t) —возмущающая сила как функция времени t,
х—-смещение. Члены в правой части уравнения представляют собой
последовательно силы инерции, упругости и внутреннего
трения (гистерезиса, «динамической вязкости»). При этом приняты
линейные соотношения упругой силы и смещения (закон Гука)
и силы внутреннего трения и скорости смещения (закон
Ньютона) с коэффициентами пропорциональности с и Ь.
Коэффициенты с и Ъ характеризуют систему в целом Они
пропорциональны соответственно рассмотренным в разделе 1
этой главы составляющим Е' и Е" комплексного динамического
модуля Е*. Коэффициенты с и Ъ зависят от размеров у. формы
испытуемого образца и типа реализуемой деформации.
При однородном сжатии26
~-=с\ =aq ,
S } • C9)
Е" = abq
где (о — частота гармонического колебания;
h —• высота образца;
S—-площадь его поперечного сечения;
q — фактор формы.
Поскольку на практике сжатие неоднородно, составляющие
Е' и Е" существенно зависят от q. При сдвиге составляющие
G' и G" комплексного модуля сдвига G* практически не
зависят от размеров и формы образца27.
При ударных испытаниях и в условиях свободных
колебаний система получает однократный короткий импульс в виде
толчка (удара), и на этом действие возмущающей силы
заканчивается.
Уравнение движения имеет вид:
mlSr + cx + bJtr = 0 D0)
Общее решение (интеграл) уравнения, представляющее
собой выражение смещения х как функции времени t и постоян-
2. Методы определения динамических свойств резины
275
ных in, с, b, когда заданы определенные начальные условия:
х = Хо при ^ = 0, суть:
ы_
2т
х = хое cos at D1)
Уравнение D1) описывает
свободные затухающие гармо- х*
нические колебания с угловой
частотой
Vі
2т
D2)
;іли
с периодом у=2л/ш и
ь .
амплитудой хое '¦"", которая
уменьшается со временем t по
экспоненциальному закону
(рис. 139).
Степень затухания может
быть охарактеризована
отношением двух смежных
(последовательных) амплитуд. Их
значения отвечают временам,
разница между которыми составляет полупериод колебания v/2:
Рис. 139. Развитие свободных
гармонических затухающих колебаний во
времени: хх, Х2, хз—последовательные
значения амплитуды затухающих
свободных колебаний; х—величина
колебания; t—время; v—период
колебания.
о 2т
._!• в-
2 _
D3)
где 6 — коэффициент затухания \^ = 9/-
Чем больше б (больше коэффициент Ь), тем сильнее
убывает амплитуда колебаний.
Если 'силы вязкого сопротивления (внутреннего трения) в
системе отсутствуют (Ь = 0), смещение равно:
X = Хо COS <йо
л свободные колебания получаются незатухающими. Частота
свободных незатухающих колебаний юо= у ^{ собственная ча
стота системы) выше частоты со затухающих колебаний,
описываемой уравнением D2).
Затухание может быть охарактеризовано также натуральным
логарифмом отношения двух смежных амплитуд колебания.
18*
276 Гл. IV. Испытание резин на упругость и гистерезис в динам, условиях
называемым логарифмическим декрементом затухания:
" " "' «j ~ "ь ~ ~~ 2m ¦ 2 ~UT
При затухающих колебаниях часть энергии колебаний
необратимо рассеивается в виде тепловых потерь (гистерезисных
потерь), и общая энергия колебаний уменьшается. Энергия,
затраченная на цикл колебания, пропорциональна квадрату
амплитуды колебания6. Поэтому отношение
Ь 1яЬ
= ¦ . ¦ = е т v = е т@ = Э D4)
характеризует часть энергии, сохраняемой в каждом цикле
колебания, или эластичность, в частности эластичность по
отскоку.
Итак, при свободных колебаниях системы, содержащей
резиновый образец, зная массу системы пг и измеряя частоту w и
две последовательных амплитуды колебаний xt и Хг, можно
вычислить коэффициенты cub, оценив таким образом вязкие и
упругие силы, а в случае деформации — Е' и Е".
Если при испытании легче измерить энергию, затрачиваемую
и возвращаемую в каждом цикле колебания, как, например, на
маятниковых приборах, то может быть вычислена
эластичность Э.
Из выражений D2) и D4) легко видеть, что Э зависит как
от Ь, так и от с.
Если
4тс > о2, сэ > ©0
то
2Я&
Э^е Vmc
или
Э^е~2я^г = e~^ D5)
Отсюда следует, что если две резины показывают равную
эластичность по отскоку, то это еще не означает одинаковые
динамические свойства: высокая эластичность может быть
связана как с низким гистерезисом (малым модулем внутреннего
2. Методы определения динамических свойств резины 277
трения К), так и с высоким значением вещественной
составляющей Е' динамического модуля.
Уравнения C8—39) могут быть применены для анализа
вынужденных колебаний. Последние возникают, если
возмущающая сила действует во время всего испытания. При
синусоидальном законе действия возмущающей силы F = Fo smat,
где со — частота, FD — амплитудное значение возмущающей
силы, уравнение движения имеет вид:
m+b+cx
и общее .решение* в стационарном режиме:
Р
х = г . " „ „ sin Ш — ф) D7)
у (г. — mu>2J -f- Ь2ш2 v т/ \ /
Угол сдвига фаз между нагрузкой и смещением** может
быть вычислен из выражения:
Амплитуда вынужденных колебаний
согласно уравнению D7), зависит от с и Ь, а также от1
частоты возмущающей силы <а.
Легко показать, что максимальное значение амплитуды
колебания А наблюдается, когда частота возмущающей силы
равна собственной частоте системы g> = wo = 1/——(—¦) Посколь-
с ^-, I ь V
ку обычно т /У \2т ] . то ш =
Совпадение частоты возмущающей силы с собственной
частотой системы (ш = о)О) носит название резонанса.
* Экспериментальные исследования при разных деформациях
показывают, что Е' и Е" (с и Ь) являются функциями смещения х. Поскольку они не
постоянны, решение уравнения D6) усложняется. Доказано28, однако, что при
Е' и Е", являющихся функциями х, вид решения D7) не изменяется.
** Угол ф равен углу сдвига фаз между напряжением и деформацией в
резине к, когда т-*-0.
278 Гл. IV. Испытание ргзин на упругость и гистерезис в динам, условиях
На рис. 14в показаны (Зависимости амплитуды вынужден-
ных колебаний А от отношения — при разных значениях
b (резонансные кривые). Чем .меньше Ъ, тем больше А. В
пределе при Ь -»-О, Л-»-сю. Однако на практике fr всегда имеет
конечные и довольно большие значения.
Из описанного следует, что для определения динамических
свойств можно использовать настройку системы в резонанс.
Конкретные методы вынужденных колебаний в резонансе,
и другие группы методов, будут рассмотрены ниже. Здесь уме-
гтно отметить, что все они, за
исключением вынужденных
нерёзонансных колебаний,
дают возможность определять
динамические свойства
практически при одной,
сравнительно низкой частоте
(собственной частоте системы).
Правда, можно добиться
испытаний при разных частотах,
меняя массу системы, однако
изменение частоты на 3 порядка
требует изменения массы на
5 порядков. Применение
диапазона частот, отличающихся
Рис. 140. Резонансные кривые при
разных значениях коэффициента Ь:
<о/ш0—отношение частоты колебания
к собственной частоте системы;
на 3 порядка, недостаточно
для изучения частотной
зависимости динамических свойств,
в то время как увеличение
массы в 106 раз фактически исчерпывает реальные
возможности варьирования, причем трудно получить непрерывный
набор частот.
Указанные недостатки, а также нестационарность режимов
испытания при свободных колебаниях заставляют предпочесть
методы вынужденных нерезонансных колебаний. Динамические
свойства при этих испытаниях описаны в разделе 1 настоящей
главы1'291.
Рассмотренные здесь и в разделе 1 примеры расчета
динамических свойств представляют собой довольно грубое
приближение для количественного описания. Они базируются на ряде
упрощающих допущений (изотропные тела, однородная
деформация, равномерное распределение температур).
На практике гистерезисные потери приводят к
теплообразованию. Вследствие плохой теплопроводности резины
температура в ней распределяется неравномерно. То же имеет место
2. Методы определения динамических свойств резины 279
при внешнем обогреве или охлаждении образца. Учитывая это
обстоятельство, выгоднее испытывать тонкие образцы. На
тонких образцах, однако, легко реализовать растяжение, но
нельзя осуществить симметричный знакопеременный цикл,
преимуществом которого является практическое отсутствие
«разнашивания» образца (см. главу V).
Закрепление образцов в приборе в свою очередь приводит
к искажению деформации, так называемому влиянию краевых
эффектов, в результате чего сказываются размеры и форма
образца. Наконец, структура резин, особенно технических саже-
наполненных, в значительной мере анизотропна, как и их
свойства. Кроме того, она меняется в процессе самой деформации.
Следует упомянуть основные принципы измерения
динамических свойств по скорости распространения и затухания волн
в резиновых образца^.
Вид упругих волн зависит как от способа их возбуждения,
так и от геометрической формы резинового образца. Обычно
применяют образцы в виде полосок или стержней, поперечные
размеры которых малы по сравнению с длинами волн,
распространяющихся вдоль образцов. Параметры таких волн
(плоских продольных) связаны с составляющими Е' и Е"
комплексного модуля (механическими свойствами резины) уравнениями:
Р' _. PC* (!—'*) D8ч
2rE' (AQ\
ас аХ
где г — безразмерный параметр 1Г =
с — фазовая скорость;
р— плотность;
а> — угловая частота;
к — длина волны;
а—затухание (в нёперах/см), соответствующее
уменьшению амплитуды волны в е раз.
При распространении продольных волн получение высоких
(ультразвуковых) частот ограничено, поскольку длина волны
должна быть больше поперечных размеров образцов. Такие
ограничения не накладываются при расчете механических
овойств по параметрам распространения поперечных
(сдвиговых) и объемных волн. В этих случаях применяется
импульсное (ударное) нагружение и соответственно определяются
составляющие комплексных модуля сдвига (G' и О") или объем-
280 Гл. IV. Испытание резин на упругость и гистерезис в динам, условиях
ного модуля (точнее ?'+4/3G' и ?" + 4/3G", где В' и В" —
действительная и мнимая части объемного модуля В).
В опытах с продольными волнами обычно генерируют
колебания у одного конца резиновой полоски и продвигают вдоль
полоски звукосниматель. Затухание колебаний определяется по
амплитуде снимаемого сигнала в зависимости от расстояния
места измерения до конца образца, находящегося у источника
продольной вибрации. Сигнал усиливается и посылается на одну
пару пластин осциллографа. Другая пара пластин
непосредственно соединяется с источником (генератором частоты).
Разность фаз волн у генератора и в точке измерения на образце
определяется фазометром. Минимальное расстояние между
двумя точками на образце, имеющими одинаковую фазу,
равно длине волны. Частота колебаний зависит от частоты
генератора.
В литературе описаны различные варианты методов
измерения параметров проходящих" волн124.
Методы измерения эластичности по отскоку
Эластичность по отскоку определяется как отношение
энергии, возвращенной резиновым образцом после удара по нему
ударника (бойка), к общей энергии, затраченной на удар.
Возникающие при ударе колебательные движения ударника
не имеют простого гармонического характера25, однако в первом
приближении справедливы рассмотренные выше соотношения
D4) и D5), характеризующие эластичность при свободных
затухающих колебаниях.
Первые и простейшие методы измерения эластичности при
ударе заключались в свободном падении резинового шарика с
высоты h и измерении высоты hx его отскока от твердой поверх-
ности4~7'32. Эластичность в этом случае характеризуется
отношением (hjh) • 100%.
Поскольку энергия удара при падении резинового шарика
мала, а масса шариков одного и того же диаметра, получаемых
при вулканизации в форме, зависит от состава резины,
чувствительность указанных методов очень невелика. Рациональнее
сделать ударником металлический шарик, заставляя его
отскакивать от резинового образца с плоской поверхностью. Точность
таких методов повышается как зз счет увеличения энергии
удара и применения постоянного по массе и размерам ударника,
так и за счет возможности более тщательной заготовки
резинового образца.
По этому принципу устроены эластометры (называемые
также резильометрамн, упругометрами, склероскопами) Брой-
2. Методы определения динамических свойств резины
281
зз-з4; Башора35, Гастона33,
4-7
Шора36, Витнея37, Вильямса35
ля
и др
Субъективность отсчета высоты отскока, являющаяся общим
недостатком этих приборов, исключается путем применения
методов падения шарика на образцы, установленные под углом
к горизонтали32'3l)-40. Шарик падает по вертикали, а
измеряется горизонтальная составляющая длины отскока (рис. 141).
При этом можно снять отпечаток падающего шарика на
горизонтальной плоскости, помещая над листом белой бумаги
копировальную бумагу.
Более совершенны по
конструкции маятниковые
приборы (маятниковые упругомеры
или копры), характеризуемые
сравнительно высокой
точностью измерения.
Маятниковый копер Шобап
5ыл стандартизован в
Германии42-43 и СССР44.
Аналогичная конструкция прибора,
изготовляемого заводом
«Металлист», положена в основу
другого советского стандарта "
45
Следует иметь в виду, что рис. 141. Схема измерения элас-
отскока
тичности по дальности
шарика:
/—шарик; 2—спусковое устройство: 3—
образец; 4—наклонная площадка;
5—кронштейн; 6—плоскость, на которую
отскакивает шарик, оставляя отпечаток.
при измерении эластичности
по отскоку, как и при
определении твердости,
существенное значение имеют размеры
образца, особенно толщина.
При больших (сравнительно с толщиной) глубинах
погружения бойка сказывается влияние жесткой площадки, или
наковальни, на которой находится образец. Поэтому можно
сравнивать результаты испытаний, полученные на образцах
одинаковой толщины. Стандартизована толщина б мм. При небольших
отклонениях от стандартной толщины (±1 мм) эластичность
рекомендуется32 вычислять с поправочным коэффициентом К,
умножая на последний результат отсчета. K=h . э при # = 0,5
и /(=. е при #=1, где h — действительная толщина
образца, в мм, Н — отметка угла падения (см. ниже). Эти поправки
весьма приближенны.
Принцип измерения «ударной упругости» (эластичности по
отскоку) с помощью маятникового упругометра был независимо
разработан Шобом41 и Ван Интерсеном32.
282
Гл. IV. Испытание резин на упругость и гистерезис в динам, условиях
Если центр тяжести маятника (рис. 142), находящийся на
расстоянии от оси вращения 0, поднят на высоту h, то при массе
маятника пг запас потенциальной энергии маятника Wx равен
Wl = mgh = mgR (I—coscti), где g — ускорение силы тяжести.
Эта энергия передается образцу при ударе по нему бойка
маятника.
Возвращенная энергия, пропорциональная эластичности
резины, вызывает отброс маятника на высоту Аь эта энергия
равна W2=-mghi = mgR(\—cosa2).
Таким образом, характеризуя эластичность по отскоку
процентным отношением работы, возвращенной образцом после
удара по нему бойка маятника, к
работе удара, лри пренебрежении
сопротивлением воздуха и потерями на
трение в оси маятника, можно
вычислить ее из отношения высот
Если величина угла падения а, за-
дается постоянной, вместо шкалы для
ОТСЧеТЭ уГЛОВ ПЭдеНИЯ И ОТСКОКЭ МОЖ-
Н° ПОЛЬЗОВЗТЬСЯ ШКЗЛ0Й, ОТГраДУИрО-
ванной непосредственно в единицах
эластичности по отскоку.
На рис. 143 показан маятниковый упругометр, изготовляемый
заводом «Металлист».
Маятник / с грузом 3, заканчивающимся бойком 4 (радиус
закругления 7,5 мм), подвешен на оси в кронштейне 12 на
станине 5. Расстояние от оси вращения маятника до центра удара
бойка составляет 250 мм. Защелкой 13 маятник удерживается
в поднятом положении либо под углом 90° (на отметке Н = \),
либо под углом 60° (# = 0,5), получая запас энергии в 5 кгс-см
или 2,5 кгс ¦ см соответственно.
Для каждого из двух исходных положений маятника
имеется своя дуговая шкала 14, градуированная в процентном
отношении высоты отскока маятника к высоте его падения.
Образец 7 закрепляется на боковой площадке 6 станины
двумя пружинами 2. При этом прижимные пружины должны
обеспечить плотное прилегание образца к наковальне.
На оси маятника имеется пружинный захват 10, который в
момент отскока маятника от образца захватывает стрелку 8.
Последняя насажена на ось с небольшим трением и после
отскока маятника занимает положение, отвечающее наивысшему
2. Методы определения динамических свойств резины
283
углу отскока маятника. Перед испытанием пружинный захват
10 прикреплен к маятнику так, чтобы при исходном положении
маятника стрелка 8 находилась против деления 100 рабочей
шкалы, а при вертикальном положении маятника и снятом
ограничителе 9, который определяет исходное положение стрелки,—•
против деления «нуль». При этом расстояние между площадкой
6 и бойком 4 должно быть разно толщине образца б±0,25 мм.
До испытания маятник проверяется на трение в его оси.
Практически допускается такая величина трения, при которой
маятник совершает не менее 300 свободных (затухающих)
колебаний при начальном отклонении его на 45°.
V
Рис. 143. Маятниковый упругометр ] (завод
«Металлист»):
/—маятник; 2—пружина; 3—груз; 4—боек; 5—станина;
ff—площадка; 7—образец; в—стрелка; 9—ограничитель; 10—захват;
//—пружинный механизм с ручкой; 12—кронштейн;
13—защелка; 14—дуговая шкала,
При испытании маятнику не дают совершать затухающие
колебания, чтобы он повторно не ударял по образцу. После
каждого удара поднимают маятник в исходное положение
пружинным механизмом с ручкой //. После четвертого удара
отсчитывают положение стрелки 8 по шкале, принимая этот отсчет
за результат испытания.
Описанные приборы, как и резильометр Люпке46, трипсометр
и упругометр фирмы «Данлоп»47, не приспособлены для
измерения глубины погружения бойка при ударе. Последний
показатель, наряду с затраченной работой деформации, может дать
приближенное представление о динамической твердости,
поскольку при ударе бойком, как и при погружении индентора в
испытаниях на твердость, осуществляется местная неоднородная
деформация резинового образца.
284 Гл. IV. Испытание резин на упругость и гистерезис в динам, условиях
Глубина погружения измеряется на маятнике Гилея и его
модификациях483, один из вариантов которых стандартизован54
в США (рис. 144).
Рис. 144. Маятник Гилея-Гудьира:
I—шарикоподшипники; 2—штанга; 3—ударник; 4,
19—контактный палец; 5, {—спусковое приспособление;
7—собачки; 8—рейка; 9—отверстие для фиксации маятника;
10—указатель; //—шкала; 12—наковальня; 13—образец;
14, 15—держатель; 16, 17—микрометрические винты; 18—
индикатор глубины погружения; 20, 21, 22—телефон с
батареей; 23—основание.
2. Методы определения динамических свойств резины 285
Маятник состоит из штанги 2, закрепленной в шариковых
подшипниках / и несущей ударник 3, контактный палец4,
указатель 10 и собачки 7. Штанга прикреплена к вертикальному
основанию 23, на котором находятся держатель 14 образца 13,
наковальня 12, индикатор IS глубины погружения ударника
в образец, квадрант, несущий дуговую шкалу 11, рейку 8 для
собачек (устроенную, как на разрывной машине), спусковое
приспособление 5, 6. Контур телефона 21, питаемого от сухой
батареи 22, замыкается во время контакта ударника с
образцом, одновременно с которым палец 4 должен касаться
пальца 19.
Способ измерения максимальной величины погружения
бойка, предложенный Гилеем51, заключается в подборе (с помощью
микрометрического винта 17) положения площадки
индикатора 18, при котором нарушается контакт пальца 19 площадки
с контактным пальцем 4 на штанге 2 маятника.
Нулевое положение (контакт пальцев 4 и 19)
устанавливается при свободном вертикальном положении штанги 2
маятника, когда резиновый образец 13 доводят (с помощью
микрометрического винта 16) подачей наковальни с образцом до
касания образца с бойком 3. При этом указатель 10 находится
на нуле шкалы 11.
Положение индикатора 18 должно быть такою, чтобы
малейшее смещение пальца 19 в сторону пальца 4 вызывало бы
их контакт и появление звука в цепи телефона.
Естественно, при ударе бойка по образцу и погружении его
в образец контакт пальцев 4 и 19 будет наблюдаться при ином
положении индикатора 18.
Приближая палец 19 (к моменту удара маятника с
определенной скоростью) микрометрическим винтом 17, по звучанию
в телефоне определяют контакт его с пальцем 4,
соответствующий контакту ударника с образцом при ударном погружении.
Разность между нулевым и конечным отсчетом на шкале
винта 17, умноженная на 0,837 (корректировка положения пальца
4, по отношению к оси маятника, на положение ударника 3),
дает глубину погружения с точностью до тысячных долей
дюйма.
Высота отскока маятника определяется положением собачек
7 и на шкале //. Показания высоты отскока получаются
заниженными из-за трения собачек о рейку. Отсчеты глубины
погружения в описанном устройстве необъективны. Кроме того,
вследствие неоднородности деформации при ударе сферическим
бойком, практически из данных прибора нельзя вычислить
динамический модуль. Что касается гистерезисных потерь, то
они (в %) характеризуются разностью между 100 и процен-
286 Гл. IV. Испытание резин на упругость и гистерезис в динам, условиях
том отскока, вычисляемым по вышеприведенной
формуле E0).
Обычно на маятнике Гилея—Гудьира пользуются углом
падения от 8 до 15°.
Стандартизованы следующие размеры штанги 2: общая длина 183 см,
диаметр 2,22 см, расстояние от оси до центра ударника 107 см, а от оси до центра
пальца 4—128 см, при расстоянии от оси до центра тяжести маятника 54 см
и весе маятника 6,7 кгс. Запас энергии при угле падения 15° равен —0,25 кгс-см.
В другой модификации маятника Гилея95 использован угол падения 25°.
Установлено, что с увеличением энергии удара (высоты
падения) показатель ударной упругости понижается, а
погружение ударника в образец увеличивается. Поэтому испытания при
разных углах падения несопоставимы.
Недостаток метода Гилея заключается в том, что подбор
момента появления или нарушения контакта производится
довольно произвольно и неопределенно. Вероятность нахождения
искомого положения контактов при первом же ударе по
образцу очень мала. Повторные же деформации (второй, третий и
последующие удары) должны приводить к новым результатам,
особенно в случае испытания саженапэлненных резин. Число
повторных ударов по образцу зависит от того, как скоро
удается осуществить подбор.
Для некоторой стабилизации результатов перед измерением
глубины погружения предварительно производят по образцу
10 ударов54.
Установлено56, что величина деформации стабилизуется и
практически не зависит от числа ударов для ненаполненных
резин после 5—6 ударов, а для наполненных — после 30—50
ударов.
Однако необходимо после каждого удара дать возможность
образцу полностью восстановиться. Каждый раз,
следовательно, необходимо возвращать маятник в исходное положение и
ждать довольно неопределенное время.
В НИИРП56 использован метод измерения деформации
Гилея їв применении к маятниковому прибору завода «Металлист».
Усовершенствование метода заключается в том, что в качестве
бойка применяется площадка, размеры которой больше
площадки торца образца. Таким образом, вместо пенетрации
осуществляется ударное сжатие.
Недостатком метода является то обстоятельство, что
используются довольно большие деформации, при которых
существенно влияние их неоднородности. Ударное сжатие образца в
целом осуществляется и на маятниковом эластометре КС57
(рис. 145), разработанном во ВНИИСК.
Методы определения динамических свойств резины
287
Пренебрегая влиянием жесткости наковальни, на которой
установлен образец, и неоднородностью сжатия, вследствие
трения на торцах, можно, при условии измерения глубины
погружения, рассчитать не только эластичность по отскоку, но и
динамический модуль, а также модуль внутреннего трения.
Сжатие осуществляется стержневым ударником 4 с плоским
бойком ударом по торцу цилиндрического образца 8 диаметром
10 мм и высотой 10—20 мм. Образец наклеивается на
специальную пластинку и укрепляется на стальной наковальне 9.
\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\
Рис. 145. Маятниковый эластометр КС:
/—шкала; 2, 6—пружина; 3—крючок; 4—ударник; 5—микрометр; 7—
контактный диск; 8—образец; 9—наковальня.
Удар производится лри освобождении изведенного ударника 4
z помощью крючка 3 плоской пружины 2.
Деформация образца при ударе определяется по глубине
погружения и измеряется методом подвижного электрического
контакта, как на ранее описанных приборах типа Гилея.
Электрическая цепь для измерения состоит из батареи, телефона,
подвижного контакта и контактного диска 7, надетого на
ударник. К подвижному концу микрометра 5 прикреплена плоская
пружина 6 с точечным контактом. В момент удара по образцу
подвижный контакт соприкасается с контактным диском,
замыкая цепь, что сигнализируется щелчком в телефоне.
На ударнике 4 имеются сменные массы, позволяющие
варьировать энергию удара. Отскок ударника фиксируется по
шкале 1.
Более однородная деформация осуществляется на
маятниковом приборе Бидермана58'59 (рис. 146). Прибор позволяет
288 Гл. IV. Испытание резин на упругость и гистерезис в динам, условиях
производить растяжение тонких образцов, применял
предварительную их деформацию и без предварительной деформации.
Поскольку образцы тонкие, их легко быстро прогреть или
охладить и производить испытания при различных температурах,
НИКИМП создан промышленный прибор с термостатом типа
маятника Бидермана (маятник КМР-01).
Тонкие образцы можно заготовить и из готовых резиновых
изделий*.
Образец / располагается
перпендикулярно к плоскости
качания маятникового копра 7
и укрепляется в зажимах 8;
последние могут передвигаться
в горизонтальной плоскости,
обеспечивая различную
степень 'предварительного
растяжения.
Угол отскока копра
определяется, как и на ранее
описанном маятниковом .приборе,
изготовляемом заводом
«Металлист», по ведомой стрелке 2.
Деформация измеряется по
шкале 5 при помощи стрелки
4. Последняя вращается с
легким трением относительно
оси 3 качающейся системы.
Специальный ограничитель 6
препятствует движению
стрелки в момент вхождения копра
в контакт с испытуемым образцом. Благодаря этому стрелка
вынуждена проворачиваться относительно качающейся системы.
Проворачивание длится до остановки маятника при
максимальной деформации образца, и по шкале 5 отсчитывается
соответствующий этой деформации угол.
Если а0 — ширина, h0 — толщина, So — площадь
поперечного сечения, So = aoho, Vo — объем рабочего участка образца, то
объем деформированного образца равен
V = So -г- = aJi0L0
ло
где La — расстояние между зажимами прибора, А,о=-т~'
* Для обеспечения точности испытания порядка 10% рекомендуется
испытывать не менее 2 образцов.
Рис. 146. Маятник Бидермана:
/—образец; 2, 4—стрелки; 3—ось;
5—шкала; 6—ограничитель; 7—копер; 8—зажимы.
2. Методы определения динамических свойств резины 289
L — длина рабочей части образца между зажимами при
ударе.
Деформация
где d — максимальное смещение центра деформируемого
образца при ударе (d — 2r sin 4p, где г—расстояние
от оси маятника до центра образца;
ф2 — угол, отсчитываемый по шкале деформаций).
Модуль внутреннего трения*.
у _ &ЇЇ mgr(cos<d — cosУо)
A V(e
где m—масса маятника;
фо — угол падения маятника;
Фі — угол отскока;
g — ускорение силы тяжести.
Эластичность по отскоку
э= 1 — cos Уі
1 — cos ©0
Динамический модуль**
р _ W mgr (I— cos уд)
V(lX) - V[e —1п(е+ 1}]
Методы измерения частоты и затухания свободных колебаний
Отличаясь сравнительной простотой (испытания
производятся на конструктивно несложных приборах, допускающих
возможность легкого термостатирования), эти методы имеют
существенные недостатки, препятствующие их широкому распространению.
* Согласно закону пропорциональности между деформацией
растяжения Е и истинным напряжением а, удельные механические потери
Ш
Я = — = К [е - In (е + 1)] = Л- [(Хо - 1) 1п Х„] = К (е - 1п \)
** Из того же закона о=?е следует, что удельная работа деформации
W
-у = ?(Е — 'п К)
19-2406
290 Гл. IV. Испытание резин на упругость и гистерезис в динам, условиях
Ранее уже указывалось на трудность получения различных частот,
величина которых сравнительно низка и зависит от свойств испытуемого материала.
Следует отметить, что поскольку искомые характеристики ?' и ?" являются
функциями частоты, результаты испытания различных резин по существу
нельзя сопоставлять. При подборе одинаковой частоты системы путем введения
дополнительных масс методика испытания значительно усложняется, при этом
можно добиться весьма небольшого изменения частот и, кроме того, следует
стремиться к такому конструктивному устройству прибора, чтобы с изменением
массы системы не изменялась общая нагрузка на образец, так как на опыте
проявляется зависимость динамических свойств от нагрузки.
Кроме того, методом свободных затухающих колебаний
трудно получить точные результаты60 для резин с большим
внутренним трением ввиду быстрого
затухания колебаний.
При испытании этими
методами могут быть реализованы
различные типы деформаций: рас-
'тяжение13'25, сжатие61-63,
сдвиг613, кручение04-71.
Динамическая деформация
растяжения возникает, например,
на механическом осциллографе с
качающимся рычагом13 (рис. 147).
• Образец-полоска 2 закреплен
в верхней неподвижной опоре /
¦и нижней опоре 3, связанной с
рычагом 6 через призму 7.
Период колебания системы
определяется ее моментом инерции,
который подбирается с помощью грузов 4, 8, установленных на
рычаге 6. При этом центр тяжести рычага должен совпадать
с его ножевидной- опорой 5.
Можно задавать статическое растяжение образца, добавляя
грузы на плечо рычага, где укреплен образец. Смещение
рычага во времени (кривая затухающей гармонической деформации)
может измеряться по шкале 9, указатель 10 которой соединен
с концом рычага. Зная размеры плеч рычага (до места
крепления образца и до указателя 10), легко выразить цену деления
шкалы 9 через абсолютную деформацию образца.
Пространство, где находится образец, термостатировано для
испытания при разных температурах. Отсчеты шкалы
наблюдаются й, микроскоп. Период колебания измеряется с помощью
ручного секундомера.
Из методов свободных затухающих колебаний
стандартизовано (в США) только испытание на осциллографе Иерзли,
позволяющем осуществлять сдвиг или сжатие (в зависимости
Рис. 147.
Схема осциллографа
Нолле:
і. З—опоры; 2—образец; 4, 8—грузы; 5—
ножевндная опора; 6—рычаг; 7—призма;
9—шкала; 10—указатель. ,
2. Методы определения динамических свойств резины
291
от формы и способа закрепления образцов). Схематически
устройство прибора изображено на рис. 14861-62.
Образец / устанавливается между верхней неподвижной
опорой 2, высота которой может регулироваться соответственно
размерам образца, и нижней опорой 9, соединенной с рычагом
5 через призму 10 с тем, чтобы при качаниях рычага сохранить
вертикальное направление действующего от него усилия. Но-
жевидная опора 3 рычага находится в центре. На образец
действует разность грузов 8 (W) и 11 (w). Кроме того, на рычаге
имеется противовес 4, создающий небольшую нагрузку в
образце, когда грузы 8 и // сняты с рычага; этот противовес откло-
W6-
Рис. 148. Схема осциллографа Иерзли:
У—образец; 2, 9—опоры; 3—ножевидная опора; 4—противовес;
5—рычаг; ff—барабан с диаграммой; 7—перо; 8, 11—грузы
(W, w); 10—призма.
няет ненагруженный рычаг (при отсутствии образца) так, что
перо 7 на конце рычага указывает 16-е деление ниже нулевой
линии на диаграмме 6 при условии, что рычаг без грузов и
противовеса имеет примерный наклон конца с пером на уровне 13
или 6,5 делений (каждое деление составляет 2,54 мм) ниже
нулевой линии (последняя отвечает горизонтальному положению
рычага). Наклон дается для преодоления трения в опорных
призмах.
Отношение плеч образца и пера самописца 1:10. Таким
образом, на диаграмме получается запись отклонений рычага в
удесятеренном масштабе.
Груз 8 (W) состоит из 14 дисков массой 640 г каждый и
одного диска массой 320 г. Груз 11 подвешивается только, если
необходимо увеличить момент инерции, а следовательно, и
период собственных колебаний рычага; при этом он
уравновешивается дополнительными грузами, если необходимо сохранить
общую нагрузку на образец. Каждый неуравновешенный диск
весом 0,64 кгс со стороны плеча рычага с пером создает
нагрузку на образец в 4 кгс.
19*
292 Гл. IV. Испытание резин на упругость и гистерезис в динам, условиях
Стандартное сечение рычага 25,4X25,4 мм2. Другие размеры
указаны на рис. 148.
Для испытания на сжатие применяются цилиндрические образцы
диаметром 19 мм и высотой 12,7 мм; для осуществления сдвига два резиновых блока
12,7x12,7x22,4 мм привулканизовываются к трем металлическим пластинкам
3,2x12,7x38 мм в специальной форме.
Испытанию подвергают резины, деформирующиеся на величину не менее
10% при нагрузке 20 кгс/см2 для сжатия или 10 кгс/см2 для сдвига. Не испыты-
ваются материалы, дающие полное затухание ранее чем через три цикла.
Рис. 149. Пример записи кривой при испытании на осциллографе Иерзли:
LFGML—«петля» статического нагружения, AJBCK.D—запись затухающих колебаний,
DE—статическая ползучесть.
Для установки образца запирают рычаг в горизонтальном положении,
снимают грузы 8 и //. Помещают образцы на площадки (между наждачной
бумагой при сжатии), регулируя высоту площадки 2, так чтобы между нею и
образцом не было просвета. Освобождая рычаг, трижды от руки деформируют
образец на 30%. Затем последовательно навешивают 15 дисков, поворачивая
барабан с диаграммой при навешивании каждого диска на одно деление влево
по горизонтали и также-последовательно снимают диски, поворачивая
барабан вправо. Так записывается ступенчатая петля статического нагружения—раз-
гружения, касательная к которой LM (рис. 149) дает возможность судить о том,
какие грузы необходимо надеть на конец рычага для испытания образца при
деформации 20±2%. Грузы одевают при запертом рычаге. Освобождая рычаг,
одновременно пускают во вращение барабан (справа налево) со скоростью
4 об/мин при этом перо записывает иа диаграмме кривую затухающих
колебаний ABCKD.
Статический модуль (при соответствующем проценте деформации)
определяется по наклону кривой LM (с учетом площади поперечного сечения
деформированного образца в случае сжатия). Коэффициент затухания (в %)
ВС
равен отношению двух смежных амплитуд качения: ~дгГ 100; частота (в цик-
п
лах в секунду) определяется по графику J—~JJ^, где п—число циклов JK--
соответствующее расстояние, эквивалентное времени в сек.
2. Методы, определения динамических свойств резины
293
Затухающие колебания при кручении измеряются на так
называемых торсионных или крутильных маятниках: маятнике
Муни и Герке65 и его модификациях64, маятнике Флетчера67 и
его модификациях68 и других6671.
В последнее время регистрация колебаний при помощи
стрелки или луча света, движущихся по круговой шкале, за-
Рис. 150. -Торсионный маятник Нельсона:
/—образец: 2—зажимы; 3—проволока; 4—диск; 5—передвижные
грузы; 6—гибкий стержень; 7, 9—стержни; 8—подшипники;
10—дифференциальный преобразователь.
менена использованием электронной аппаратуры. Так, Нель
сон63 фиксирует колебания при помощи чувствительного
датчика в виде линейного дифференциального преобразователя,
подающего сигнал, пропорциональный величине колебания, через
полосовой фильтр на усилитель, а затем на регистрирующее
устройство (шлейфовый осциллограф).
Схема торсионного маятника Нельсона показана на
рис. 150.
Образец / находится в зажимах 2 и подвешен на тонкой
проволоке 3. Масса системы заключена в инерционном диске
4 и подвижных грузах 5, закрепленных на пружинящем стерж
не 6, проходящем в стержне 7 со сферическими
подшипниками 8. Плечо стержня 9 при крутильных колебаниях проходит
294 Гл. IV. Испытание резин на упругость и гистерезис в динам, условиях
регулируемый линейный дифференциальный преобразователь
10, меняя электрические характеристики последнего.
Применение крутильного маятника Нельсона
стандартизовано в ФРГ72.
Вынужденные резонансные колебания
Методы вынужденных резонансных колебаний
принципиально мало отличаются друг от друга. Помимо неоднократно опи
санных5-6 резонансных вибраторов Костена26-73, Наунтона и
Варинга25, фирм «Гудьир»27-и и
«Файерстон»75, имеются
аналогичные по конструкции вибраторы
Мойла и Флетчера76.
На рис. 151 и 152 доказаны
приборы итальянской фирмы «Пирел-
ли»77 для сдвига и растяжения.
На приборе (рис. 151) образец /
в виде усеченного конуса с
помощью ротора 2 подвергается
сдвигу с различной частотой. Колебания
ротора осуществляются магнитным
полем катушки 3, питаемой от
гетеродина с усилителем частотой от
О до 10 тыс. гц. Внешние и
внутренние поверхности образца имеют
,зубчатые насечки для сцепления
образца с ротором 2 и опорным
кольцом — статором 4. К ротору
подвешивается груз 5, создающий
статическое сжатие в образце и
улучшающий сцепление образца с
ротором и статором. Условия резонанса достигаются изменением
частоты или груза 5. Амплитуда деформации отсчитывается
оптическим путем по отражению от вогнутого зеркала 6,
закрепленного на катушке 3.
Пространство, в котором находится резиновый образец, тер
мостатировано для измерений при различных температурах.
Как и на любом другом приборе с электромагнитным типом
«двигателя», пропуская через катушку постоянный ток, можно
измерить статический модуль резины. Различная сила тока
создает разные сдвигающие усилия в образце.
Применение сдвига имеет то преимущество, что не
сказываются форма и размеры образца, в частности отсутствует
влияние краевого эффекта (способа крепления образца).
Рис. 15]. Резонансный
вибратор фирмы «Пирелли» для
сдвига:
У—образец; 2—ротор; 3—катушка;
4—статор; 5—груз; 6—зеркало.
2. Методы определения динамических свойств резины
295
На рис. 152 показан прибор аналогичного принципа
действия, на котором подвержены многократному растяжению че
тыре кольцевых образца /, одетых на пальцы 2 и 3.
Применяется предварительное
статическое растяжение,
которое достигается
перемещением в канавках 4
пальцев 2. Пальцы 3
неподвижно установлены
на рычаге 5,
закрепленном в катушке,
приводимой во вращение
магнитным полем.
Конструкция
вибратора Elac с
электромагнитным возбуждением78, осу- Рис" 15Я- Резонансный вибратор фирмы
«Пирелли» для растяжения:
1—кольцевые образцы; 2. 3—пальцы; 4—канавка; В—
рычаг.
ществляющего
многократное сжатие образцов,
.показана ка рис. 153.
Колебания в этом приборе возбуждаются при протекании
электрического тока по обмотке / катушки, находящейся в
радиальном поле постоянного магнита. Катушка укреплена на
Рис. 153. Резонансный вибратор Elac:
'—катушка; 2—стержень; 3— центральная пластинка; 4—образцы; 5—
упор; 6—плунжер; 7—пластинка; 8—пружины; 9—гайки; 10—грузы.
латунном стержне 2, который передает вибрации центральной
пластинке <?; по обе стороны пластинки расположены образцы
4. Стержень 2 удерживается в центре тремя парами консольно
закрепленных пружин 8 (на рис. 153 условно показан один ряд).
Статическое сжатие образцов создается плунжером 6,
который может быть в предельном случае ввинчен вплоть до
соприкосновения с упором 5. Вибрирующую пластинку 3
центрируют между пластинкой 7 и плунжером 6 с помощью двух гаек 9.
296 Гл. IV. Испытание резин на упругость и гистерезис в динам, условиях
Массу ненагруженной вибрирующей системы можно изменять,
подвешивая на стержни 2 дополнительные грузы 10.
Для измерения амплитуды деформации на вибрационные
опорные пластинки 7 направляют световой пучок и наблюдают
его отражение на шкале микроскопа. Пространство, в котором
размещены образцы, термостатировано. Весь вибратор
смонтирован на резиновых амортизаторах.
ПО Аи
Рис. 154. Резонансный вибратор Анджиолетти:
/—неподвижная опора; 2—несбалансированная масса; 3. 5—редуктор;
4—образец; 5—колеблющаяся часть прибора; 7—двигатель;
8—прерыватель; 9—оптическая измерительная система.
На рис. 154 изображен вибратор с механическим приво
дом.79.
Испытуемый образец 4 представляет собой резиновое
кольцо трапецеидального сечения. К цилиндрической внутренней
части резинового кольца привулканизован металлический
сердечник а снаружи — металлическое кольцо.
Во время испытания образца сердечник совершает крутиль
кые колебания, возбуждаемые двигателем 7; внешнее
металлическое кольцо зажато держателями. Синусоидальный
внешний момент создается с помощью редуктора 3, 5 с
несбалансированными массами 2. Прибор размещен на неподвижных
опорах /; колебания получает часть его в. Амплитуда деформации
измеряется с помощью оптической системы 9*.
* Изменяя частоту колебаний (путем регулировки скорости двигателя 7),
достигают максимума амплитуды деформациИо Частота измеряется
пластинчатым частотомером посредством прерывателя 8, связанного с осью двигателя.
2. Методы определения динамических свойств резины 297
Методы измерения динамических свойств по вынужденным
колебаниям в резонансе довольно трудоемки, поскольку
необходимо подбирать условия резонанса, меняя частоту колебаний
и массу колеблющихся элементов. При этом, вследствие
зависимости условий резонанса от свойств испытуемого материала,
не может быть создано единой методики достижения резонанса.
Поэтому «предыстория» деформации у различных образцов
может быть разной. Резонансные пики получаются очень
размытыми по частоте как при измерении материалов с большими
механическими потерями, так и при низких температурах
испытания.
К этой же группе методов относятся измерения максималь
пой амплитуды вибрации образцов в системе без
дополнительных масс2'13. Образцу в виде тонкой полоски или стержня,
консольно зажатому со стороны вибратора, сообщают
колебания различной частоты и находят максимальную амплитуду Ао
и соответствующую ей частоту колебания (о0 образца. При этом:
Ш
где k — постоянная;
h и / — толщина и длина образца;
р — плотность.
В то же время:
¦ л Е" Аи>
где А(о—ширина резонансного пика, определяемая разностью
частот, отвечающих амплитудам А, равным ~т~-Ай.
Большие частоты A0—1000 кгц) достигаются с помощью
электро- и магнитострикционных методов13. Этими методами
измеряют изменение резонансной частоты Доэо и ширины
резонансной кривой A(coi — Ш2) металлического стержня при
прохождении по нему продольных волн под действием прижатого к
стержню конца резинового образца. Величины Асоо и A(coi—сог)
пропорциональны искомым Е' и Е".
На вилочном вибраторе80 осуществляется сдвиг образцов, а
колебания фиксируются пьезоэлектрическим звукоснимателем.
Резонансные методы применяются относительно редко, хотя
описания отдельных вариантов резонансных вибраторов
появляются и в настоящее время81. Поэтому трудно судить о
сравнительных достоинствах и недостатках резонансных вибраторов
разной конструкции.
298 Гл. IV. Испытание резин на упругость и гистерезис в динам, условиях
Ни один из резонансных методов определения динамических
свойств не стандартизован.
Определение динамических свойств резины при вынужденных
нерезонансных колебаниях
Первый из приборов для измерения динамических свойств
в широких температурном (от —180 до +200°С) и частотном
-11
Рис. 155. Прибор НИИРПдля многократного сжатия
/—электродвигатель; 2—муфта; 3—толкатель; 4—направляющие;
5—эксцентриковый вал; 5—эксцентриковая втулка; 7—винт; в—упругая рессора; 9—
зеркала; 10—шток; И—микрометрический вннт; 12—источник света;
13—шкала; 14—образец.
(от 1 до 2•103 циклов в минуту) интервалах был
сконструирован Александровым и Гаевым82.
На базе этого прибора был создан прибор НИИРП83,
показанный схематически на рис. 155 (УПКМ).
Толкатель 3 приводится в движение эксцентриком,
вращаемым от мотора / через муфту 2. В паз толкателя входит ролик,
сидящий на эксцентрике. Ролик может свободно перемещаться
в горизонтальном направлении в пазу толкателя, двигая
последний вверх и вниз в вертикальном направлении по
направляющим 4 и обеспечивая тем самым синусоидальную нагрузку
2. Методы определения динамических свойств резины 299
на образец через двойную рессору 8, состоящую из двух пружин
различной жесткости, соединенных параллельно.
Наружная большая пружина нижней стороной соединена
со штоком 10, непосредственно создающим в образце
динамическую деформацию сжатия. Статическая деформация
сжатия производится при помощи микрометрического винта //.
Величина деформации образца и нагрузки в нем измеряется
оптически зеркалами 9 по шкале 13, на которую отражается
от зеркал луч света, падающий от источника 12. Имеется два
зеркала 9 — одно, поворачивающееся пропорционально
величине деформации, а другое — прогибу силовой пружины
(нагрузке).
Эксцентриситет можно регулировать, не останавливая
машину. Для этого эксцентриковый вал 5 нарезан трехходовой
резьбой. Эксцентриковая втулка 6 на валу имеет внутри
винтовую нарезку соответственно нарезке вала. Эксцентриситет
втулки равен эксцентриситету вала. Изменение
эксцентриситета получается при повороте втулки относительно вала с
помощью винта 7, вращающегося от рукоятки. При этом их
эксцентриситет геометрически суммируется.
Одновременно с прибором Александрова — Гаева возник
прибор Корнфельда и Поздняка84 с оптической системой,
дающей на экране световое изображение петли динамического
гистерезиса.
Учитывая сложность обработки (планиметрирования)
петли гистерезиса, Корнфельд сконструировал модель прибора
со стробоскопическим устройством85, позволяющим
непосредственно отсчитывать угол сдвига фаз по шкале стробоскопа
(рис. 156).
Цилиндрический образец 2 высотой 6 мм и диаметром 8 мм
сжимается статически при подъеме столика /, на котором он
помещается. Многократное сжатие осуществляется при
вращении на оси мотора 6 эксцентрика 5, вызывающего
возвратно-поступательное движение поршенька 4, деформирующего упругий
кольцевой динамометр 3. Размах динамической деформации
образца (удвоенная амплитуда) равен геометрической разности
между удвоенным эксцентриситетом эксцентрика 5 и
деформацией динамометра.
Для измерения размаха деформации и усилий имеются
соответствующие зеркальца 10 и //.
Луч света, отражаясь от какого-либо одного из зеркал A0
или //), падает на шкалу 19, давая на ней световые отражения.
Оба зеркала отражают лучи в одной и той же плоскости,
поэтому измерения усилия и деформации производят раздельно
(поочередно).
300 Гл. IV. Испытание резин на упругость и гистерезис в динам, условиях
Чтобы отсчитать угол сдвига фаз, пользуются стробоскопом 7, состоящим
из светонепроницаемого барабана 14, имеющего две широкие 8 и две узкие 9
прорези, расположенные диаметрально противоположно и под углом 90° друг
к другу. В патрон 17, ввинченный в корпус 13 стробоскопа, вставлена
лампочка 16. Корпус 13 (а с ним и патрон с лампочкой) может поворачиваться от руки
относительно барабана 14. При вращении мотора 6 барабан стробоскопа
(ротор) вращается вместе с эксцентриком 5. Когда одна из прорезей барабана 14
попадает против лампочки 16, луч света проходит через фокусирующую
линзу 15 и, отразившись от зеркал 12, 18, попадает на движущееся зеркало
деформации // или усилия 10, а затем на шкалу 19.
Рис. 156. Прибор Корнфельда со стробоскопическим
устройством для измерения угла сдвига фаз между
усилием и деформацией:
/—столик; 2—образец; 3—кольцевой динамометр; 4—поршенек;
5—эксцентрик; 6—электродвигатель; 7—стробоскоп; «—широкие
прорези; 9—узкие прорезв; 10—зеркало усилия: //—зеркало
деформации; 12, /«—зеркала; 13—корпус; 14—барабан; /5—линза;
16—лампочка; 17—патрон; 19—шкала; 20—ход лучей при
измерении деформации; 21—ход лучей прн измерении усилия.
За один оборот барабана на шкале появится 2 широких и 2 узких
световых «зайчика», как это показано на рис. 157.
Положение «зайчиков» зависит от положения зеркальца 10 (илн //) в тот
момент, когда против лампочки 16 находится прорезь барабана. Если
поворачивать корпус 13 с лампочкой, можно добиться положения, показанного на
рис. 157, б, при котором два узких «зайчика» совпадут, а два широких будут
находиться на максимальных расстояниях друг от друга (соответствующих
измеряемому размаху). На корпусе имеется отметка, положение которой можно
заметить на неподвижной шкале отсчета угла сдвига фаз как исходное. Если
от зеркальца деформаций с помощью направляющего зеркальца 12
переключить луч света на зеркальце усилий 10, на шкале вновь появляются четыре
«зайчика». При повороте корпуса с лампочкой можно снова добитьси
получения на шкале 19 трех «зайчиков», вследствие совпадения момента попадания
луча лампочки в узкую прорезь с максимальным отклонением зеркальца уси-
2. Методы определения динамических свойств резины
301
лий, и отсчитать по шкале 19 размах усилия, а по шкале отсчета угла сдвига
фаз—новое положение корпуса, разность между которым и исходным даст
непосредственно значение угла сдвига фаз между усилием и деформацией.
Описанные приборы работают только в каком-либо одном
определенном режиме испытания. Кроме того, на них
осуществляется неоднородная деформация одноосного сжатия, и все
результаты зависят от размеров и формы испытуемых образцов.
Примечание: поворот лампочки вместе
со стробоскопической коробкой
равносилен повороту ротора относительно
эксцентрике
Ротор
стробоскопа п ¦
і Унсцентрик
Рис. 157. К устройству стробоскопической
системы:
а—произвольное положение эксцентрика относительно
щелей стробоскопической коробки; б—положение
совпадения максимальных отклонений эксцентрика с
прохождением светового луча через щелв ротора.
Динамические (упруго-гистерезисные) свойства резин могут
быть измерены в различных режимах деформации на машине
Релига86, стандартизованной в 1939 г. в Германии87.
На машине реализуется режим заданной амплитуды
динамической нагрузки (от вращающихся эксцентриковых масс) и
статической нагрузки (поджимом от пружины). Благодаря
наличию оптической измерительной системы, дающей на экране
световое изображение гистерезисной петли, а также вследствие
302 Гл. і V: Испытание резин на упругость и гистерезис в динам, условиях
возможности изменения динамической нагрузки на ходу
машины (изменением взаимного расположения эксцентриковых
масс), можно задавать и поддерживать в процессе испытания
различные гармонические режимы (например, заданной
амплитуды динамической деформации либо постоянства произведения
амплитуд нагрузки и деформации и т. п.).
. Недостатками испытания являются: а) применение
деформации сжатия, при которой определяемые свойства, вследствие
практической неоднородности деформации, являются
функциями размеров и формы образца; б) использование массивного
образца, в котором как при нагреве извне, так и при
многократной деформации из-за плохой теплопроводности резины
сохраняется неравномерное распределение температур; в)
невозможность заготовки больших образцов из резиновых
изделий, любых размеров.
Фирма «Байер» производит88 прибор, усовершенствованный
по сравнению с машиной Релига, отличающийся повышенной
точностью работы, расширенной областью частот и
температур, возможностью измерения динамических свойств
различных типов и размеров образцов при разных видах деформации,
осуществлением механической компенсации гистерезисной
петли, в результате чего непосредственно измеряется угол потерь
испытуемого материала.
Образец 12 (показан на рис. 158 в виде нити) деформиру
ется на величину, зависящую от установки регулируемого
эксцентрика 15 на основном валу 10, который через ременную
передачу и шкивы 5 вращается от мотора. Эксцентрик 15
может передвигаться с помощью винта 16 как перед началом, так
и во время испытания, меняя при этом деформацию образца.
Напряжение, возникающее в образце, измеряется кольцевым
динамометром 1 с зеркалом 2, Пучок света от источника 19
через направляющее зеркало 18 и зеркало 2 попадает на зеркало
смещений 11, повороты которого пропорциональны деформации
образца.
Зеркало 11 связано с валом 10 червячной парой б и Я
валом 4 и находящимся на валу эксцентриком с постоянным
эксцентриситетом. При повороте микрометрического винта 7
перемещаются салазки 3 и червячная пара б и Я устанавливая
зеркало // по фазе так, что гистерезисная петля, получаемая на
экране 20, компенсируется (превращается в прямую линию).
По шкале микрометрического винта отсчитывается
соответствующий угол механических потерь.
Деформация определяется с помощью зеркала 14 на оси
эксцентрика 17 и направляющего зеркала 13. При этом по
шкале 21 отсчитывается статическая (предварительная) деформа-
2. Методы определения динамических свойств резины
303
ция образда, а по шкале 22— динамическая деформация.
Статическая деформация осуществляется путем смещения сборных
приводных салазок при вращении подвижного винта 8.
Из других модификаций прибора Релига89'90 заслуживает
внимания машина Эккера91, которая по сравнению с приборами
Релига имеет те преимущества, что позволяет испытывать на
растяжение кольцевые образцы размерами в соответствии со
стандартами ФРГ. Кольцевые образцы быстрее и
равномернее прогреваются, чем образцы, применяемые для сжатия.
Рис. 158. Схема устройства машины фирмы «Байер»:
/—кольцевой динамометр; 2, 11, 13, 14, 18—зеркала; 3—салазки; 4—вал; 5—шкивы; 6. 9—
червячная пара; 7, 8, 16—микрометрические винты; 10—основной віл; 12—образец; 15, 17—
эксцентрики; 19—источник света; 20—экран; 21, 22—шкала; 23—петля гистерезиса; А—В,
С—Д—направления движения.
и могут быть заготовлены из сравнительно небольшого
количества материала. Принципиальное устройство аналогично
машине Релига. Частоты динамической деформации 8 -у, 16—^-,
25 гц; амплитуды — 2—3%. Кроме того, на машине задается
предварительное (статическое) растяжение.
Помимо растяжения и сжатия92'93, применяется кручение94.
Сдвиг осуществляется на машине Цыдзика85*95.
Наряду с симметричным знакопеременным сдвигом можно
задавать несимметричный знакопеременный сдвиг, а также
знакопостоянный сдвиг. Это легко достигается путем установки
304 Гл. IV. Испытание резин на упругость и гистерезис в динам, условиях
начального положения подвижной и неподвижной площадок,
между которыми находится образец и которые производят в
нем сдвиговые деформации. Кроме того, возможно реализо
вать многократное сжатие (по схеме, показанной на рис 159
сверху).
Два образца 7 (рис. 159) зажимаются между средней
неподвижной площадкой 8, связанной с измерительной системой
машины, и верхней 6 и нижней 9 площадками, соответственно
связанными с кривошипно-шатунным механизмом 10.
7.
Рис. 159. Машина Цыдзика для изучения динамических свойств и
утомления резины при многократном сдвиге:
1—штатив; 2—экран; .3—источник света оптической измерительной системы;
4—кольцевой динамометр; 5—шарнирно-рычажная передача от подвижных площадок
6 и 9 к зеркалу деформации; в, 8, 9—площадки; 7—образцы; 10—кривошипно-ша-
туниый механизм; //—механизм для изменения деформации; 12—серьга для
рычага; /3—рычаг; 14—груз; /5—электромотор. Сверху показана установка площадок
16 и 17 с образцом 7.
При возвратно-поступательном движении шатуна образцы
подвергаются многократной деформации сдвига. Испытания
могут проводиться как при постоянной статической нагрузке
сжатия под действием груза 14, передаваемого от рычага 13,
так и при постоянной деформации сжатия (при установлении
площадок на определенном расстоянии друг от друга). В
машине имеется измерительная система, состоящая из
кольцевого динамометра 4, трех линз с различным фокусным
расстоянием, закрепленных в линзодержателе, четырех зеркал,
источника света 3 и полупрозрачного матового экрана 2,
установленного на штативе /. Для изменения деформации есть механизм
il, позволяющий менять амплитуду колебания подвижны*
Методы определения динамических свойств резины
305
верхней и нижней площадок на ходу машины, не останавливая
испытания. Для поддержания заданного режима испытания
следует пользоваться световой диаграммой на экране 2 (гисте-
резисной петлей) и механизмом //.
Время
Рис. 160. Машина Пайна:
а—общая схема; б—устройство динамометра; в—устройство для
измерения угла сдвига фаз; г—сигналы на шкале смещение—время;
/, 7—динамометры; 2—пружина; 3, 5—наковальни; 4—маховик; 6—
образец: 8—механизм для статического поджатня;
9—преобразователь; 10—ключ; //—ввод; 12—устройство для измерения угла
сдвига фаз; 13—линия к осциллографу; 14—осциллограф; 15—эксцентрик;
16—шкала; П—прокладки; /8-конденсаторы; 19—привод, 20— диск;
М—металлические пластинки; I. II—линии от преобразователей
динамометров 7 к 1 соответственно; ф—угол сдвига фаз; с,
d—положения сигналов.
Описанная машина является универсальной, так как,
помимо измерения упруго-гистерезисных свойств, позволяет
производить утомление образцов. Однако для этих целей она
малопроизводительна, что за редким исключением является общим
недостатком всех универсальных машин.
Применение оптической измерительной системы сопряжено
с необходимостью использования больших расстояний и
затемнения экрана; требуется применение копирования или
фотографирования, если нет компенсационных устройств, подобных
применяемому в машине фирмы «Байер». Настройка зеркал
сбивается при вибрациях машины.
В новых машинах Пайнтера96, Филиппова97, Пайна98 и
других применяются электронные измерительные системы99.
На рис. 160,а показана схема машины Пайна2-98. Образец 6
подвергается многократному сжатию при вращении от мотора
20—2406
306 Гл. IV. Испытание резин на упругость и гистерезис в динам, условиях
с редуктором маховика 4, на валу которого находится
эксцентрик /5, задающий синусоидальное смещение наковальням
3,5 (а, следовательно, и образцу 6). При смещении наковален
практически мгновенно деформируется пружина 2 и
динамометр 1, устройство которого изображено на рис. 160,6.
Таким образом, деформация динамометра, преобразуемая в
электрический сигнал преобразователем 9, измеряет
деформацию образца. Для создания статического поджатия служит ме
ханизм 8. Возникающие в образце усилия измеряются
динамометром 7, аналогичным по устройству динамометру 1.
Изображение соответствующих синусоид получается на экране
катодно-лучевого осциллографа 14 последовательным
подключением с помощью ключа 10 одного из динамометров.
Специальным устройством 12, показанным отдельно на
рис. 169, в, измеряется угол сдвига фаз ф.
Устройство 12 состоит из привода 19, равномерно
вращающего диск изоляционного материала 20, на котором с
противоположных краев расположены металлические пластинки
М. Соединяя ввод // либо с линией / от преобразователя
динамометра 7, либо с линией // от преобразователя
динамометра 1, при произвольном положении конденсатора 18
относительно шкалы 16 (конденсаторы удерживаются на шкале
фрикционными прокладками 17) получают два сигнала за цикл,
передаваемые по линии 13 на осциллограф, как это показано
на рис. 160,г (положение с). Сигналы возникают при
прохождении пластинок М мимо конденсатора, линия которого соеди
нена с вводом //. Добиваются положения конденсатора, при
котором оба сигнала совпадают (рис. 160,г, положение d).
Фиксируют соответствующие положения конденсаторов 18 на
линиях I w II по шкале 16. Разность их дает непосредственный
отсчет утла ф с точностью до 0,5°.
Вместо непосредственного измерения деформации и усилия
в испытуемых образцах можно вычислить их на основании
измерения электрических характеристик катушек, находящихся ь
магнитном поле и жестко связанных с образцами. Катушки
являются источником механической силы, деформирующей
образцы, и одновременно электромагнитным преобразователем,
превращающим механическое смешение сдвига, вызванное в
образцах, в электрические (измеряемые) величины.
Преимущества этой группы методов, называемых
преобразовательными, заключаются в возможности проведения
измерений с высокой точностью в широких интервалах температур
и частот (при непрерывном изменении последнихO1' 10°-105.
Расчеты динамических характеристик резины на основания
измеренных электрических величин точны в пределах линейно-
2. Методы определения динамических свойств резины
307
сти соотношения между напряжением и деформацией, т. е. при
малых амплитудах деформации.
Комплексный модуль сдвига равен:
G*
= m(ZL-Z0) 4
где со — частота колебаний;
h и 5 — толщина и площадь поперечного сечения образца;
ZL и Zo — импеданс (комплексное сопротивление) катушки,
соответственно при сдвиге образцов и при
холостом ходе.
Рис. 161. Прибор Фитцжеральда и Ферри:
1—вибрационная трубка; 2—масса; 3—образцы; 4—линия; 5—магнит; 6—
сердечник; 7—катушки: в—источник тока; 9—усилитель; 10—детектор;
Сі, Сі—конденсаторы переменной емкости; ^i, H.%, R —переменные со-
А
противления; Е~напряжение; Z\, Z%, Z3, 24—комплексные сопротивления
(импедансы).
Разделение О* на составляющие G' и G" может быть
осуществлено множеством способов (с помощью измерительной
мостовой схемы, фазометром, снятием гистерезисных петель
на экране осциллографа и т. п.).
Частоты испытания достигают 5000 гц.
На рис. 161 дана диаграмма прибора и электрическая схема
двойного преобразователя Фитцжеральда и Ферри101. Образцы
3, находящиеся между жесткой вибрационной трубкой / с
сердечником 6 и большой подвешенной массой 2, подвергаются
многократному сдвигу при вибрации во время прохождения
тока по силовым катушкам 7, расположенным в поле магнита 5.
Одна катушка является источником действующей силы, а дру
гая — датчиком. Напряжение в разомкнутой катушке-датчике
выравнивают по амплитуде и фазе с напряжением в основной
катушке при помощи мостика, питаемого источником 8
20*
308 Гл. IV. Испытание резин на упругость и гистерезис в динам, условиях
Измеряя активное и реактивное сопротивления катушки с
помощью мостика, получают необходимые данные для вычисления
механического импеданса, а следовательно, и механических
динамических свойств. '
Разработанная Володиным >и Кувшинским104 аналогичная
схема (рис. 162) с применением емкостного датчика
принципиально 'более совершенна, так как в ней устранены обычные
Рис. 162. Блок-схема установки Володина и
Кувшине кого:
/—образцы; 2—каркас катушки; 3—емкостный датчик;
4—катушка; 5—безреактивное сопротивление;
6—предварительный усилитель; 7, 9—контрольные вольтметры;
8—электронный фазометр; 10—усилитель; 11—емкостный
преобразователь; 12—ламповый вольтметр; 13—звуковой
генератор.
упругие крепления (что позволило уменьшить массу
подвижной системы) и уничтожена взаимоиндукция катушек, а
механические характеристики получаются непосредственным
отсчетом электрических величин.
Образцы / жестко закреплены с одной стороны и прижаты
другой стороной к каркасу 2 катушки вибратора. Деформация
сдвига возникает при прохождении тока через катушку 4 от
генератора звуковой частоты 13. Последовательно с катушкой 4
соединено безреактизяое сопротивление 5, напряжение на
котором UK, измеряемое ламповым вольтметром 12,
пропорционально силе тока в катушке, а следовательно, и периодическому
усилию, действующему в образцах. Смещение в образцах
(колебание катушки) регистрирует емкостный датчик 3. Изменение
емкости датчика, пропорциональное сдвиговому смещению,
электронный емкостный преобразователь // превращает в
изменение напряжения. На выходе прибора получается
напряжение Ug, усиливаемое предварительньим усилителем 10.
Напряжения Ug и UK (последнее усилено предварительным
усилителем 6) подаются на электронный фазометр 8, измеряющий раз-
2. Методы определения динамических свойств резины
309
между механическими силой и
сигналов UK и Ug установлены
2
ность фаз ф между ними или
смещением.
Для определения уровня
контрольные вольтметры 7
и 9.
В машине Форда106
имеется электрическая
измерительная система и
приспособление для изменения
динамической нагрузки,
основой которого является
вибратор Зоннтага* (рис. 163).
Синхронный двигатель
через кривошип 5 вращает
неуравновешенную массу 6,
находящуюся в клетеобраз-
ной вертикальной раме.
Верхняя часть рамы
соединена с площадкой /,
движущейся возврагно-поступа-
тельно и вызывающей
деформацию сдвига в
образце 2, заключенном между
площадкой / и неподвижной
площадкой 3. Пружины 7
служат для создания
посредством промежуточного
винта <§ преварительной
нагрузки и компенсации
статической нагрузки,
возникающей за счет инертной массы. Счетчики 4 показывают
число циклов, а по шкале 9 определяют величину
колеблющейся массы 6.
Сейсмическая
установка 10 изолирует систему от
вибраций.
На машине Форда
(рис. 164) образец 5
находится между пластиной 3 и
консольной балкой 2, над
которой смонтирован
микрометр для измерения усилий.
Пластина 3 соединена с ры-
7777
Рис. 163. Вибратор Зоннтага:
/, 3—площадка; 2—образец; 4—счетчик; 5—'
кривошип; 6—неуравновешенная масса; 7—
пружина; 8—винт; 9—шкала; 10—сейсмическая
установка.
6
8
Рис. 164. Машина Форда:
I—пружина; 2—консольная балка; 3, 4, 7—пласти
ны; 5—рычаг; 6—индикатор; 8—образец.
* Вследствие этого и возможности задания больших нагрузок машина
является универсальной.
310 Гл. IV. Испытание резин на упругость и гистерезис в динам, условиях
Динамич
нагрузка
Ста тич
нагрузка
чагом 5, поворачивающимся вокруг оси при
возвратно-поступательном движении пластин 7 вибратора Зоннтага, которое
передается на рычаг через гибкие пластины 4. Пружина 1
прижимает образец. Смещение пластин 7 измеряется
индикатором 6. Машина оснащена электрическими датчиками усилия и
смещения и катодным осциллографом, на экране которого
получается изображение гистерезисной петли.
Для испытания в условиях постоянства динамической
работы пользуются кривыми, специально нанесенными на экран
осциллографа (рис 165, кривые ad, cc'). Эти кривые
располагаются симметрично
относительно прямой статической
нагрузки и соответствуют
постоянной величине
динамической работы.
Динамическая нагрузка в ходе
испытания изменяется таким
образом, что концы
гистерезисной петли попадают на
кривые, отвечающие
выбранной динамической
работе.
При этом сама петля,
естественно, располагается
симметрично относительно
прямой статической
нагрузки, которая задается и
поддерживается постоянной.
Изменение динамической
нагрузки осуществляется
путем смены
неуравновешенной массы в вибраторе
Зоннтага.
Все описанные в этом параграфе приборы относятся к так
называемым вибраторам. В этих приборах деформация
осуществляется благодаря возвратно-поступательному
(колебательному) движению зажимов или площадок для образцов. Другой
тип приборов представляют собой ротаторы, в которых
деформация107- производится при вращении образцов. Механические
потери в образце здесь могут быть измерены непосредственно
по величине вращающего момента. Это обстоятельство
позволило применить простую и надежную измерительную систему
мотор—весы*.
Рис. 165. Графическая иллюстрация
принципа испытания в режиме
постоянства динамической работы:
/—режим постоянства динамического
смещения d\ II—режим постоянства динамической
нагрузки f; III—режим постоянства динамической
работы; аа', ее'—линии, соответствующие
постоянной динамической работе.
* Преимущество ротаторов заключается также в возможности
реализации относительно больших деформаций, без колебаний механических масс.
2. Методы определения динамических свойств резины
311
На рис. 166 показана схема прибора ДИЗПИ для
симметричного знакопеременного изгиба, изготавливаемого заводом
«Металлист».
Метод знакопеременного изгиба разработан давно и
'применяется для определения усталостной прочности металлов115,
пластиков316 и редин32-117. Измерение динамических свойств этим
методом применено впервые в работе110 и имеет большое
значение, поскольку динамические свойства при симметричной
деформации практически не изменяются и, как это будет видно из
следующей главы, прибор можно сочетать с
высокопроизводительным стендом для испытания на усталость, задавая для
резин с неодинаковыми динамическими свойствами одинаковые
режимы нагружения,
Рис. 166. Прибор для изучения динамических
свойств при знакопеременном симметричном
изгибе (ДИЗПИ):
/—термостат; 2—грузы; 3—сектор; 4—шкала; 5—образец;
6, 7—зажимы; 8—электромотор; 9—стрелка; 10—шкала;
//—стойка; /2—гальванометр; 13, 14—переключатели; 15—
ЛАТР для регулировки скорости.
Устройство и работа прибора ДИЗПИ заключается в
следующем.
К корпусу термостата / крепится кронштейн, на котором на
шарикоподшипниках установлен статор коллекторного
электромотора 8. На валу мотора находится цанговый зажим 7, в
который вставляется конец гантелеобразного цилиндрического
образца 5, изображенного на рис. 167,а. Второй конец образца-
зажимается в цанговый зажим 6 (см. рис. 166) на свободной
оси. вращающейся в стойке //. Стойка // может перемещаться;
312 Гл. IV. Испытание резин на упругость и гистерезис в динам, условиях
по фигурной прорези в секторе 3 и укрепляться с помощью
винта и двух шпилек так, что образец изгибается от 0 до 90°.
Таким образом, задаются разные амплитуды деформаций
образцов (выбрано десять фиксированных положений,
соответствующих амплитуде деформации на поверхности образца 0; 10; 12,5;
15; 17,5; 20; 22,5; 25; 27,5 и 30%). Деформация получается
.периодической, поскольку изогнутый образец вращается
мотором 8 вокруг овоей оси и отдельные участки образца, за
исключением нейтральной оси, подвергаются поочередно
растягивающим и сжимающим усилиям.
Сектор 3 вращается на вертикальной оси и изгибающий
момент образца уравновешивается чашечкой с грузами 2. Для
контроля положения сектора служит шкала 4. Вращающий
момент на оси мотора может измеряться по шкале 10 весового
квадранта благодаря тому, что статор мотора качается свобод-
^23,5 -
- 62, S
а б
Рис. 167. Гантелеобразный образец (а) и переносная
термопара для измерения температуры на
поверхности образца (б):
/—корпус; 2—спай; 3—прижимной штифт; 4—пружина.
но, соосно с ротором. Шкала 10 двойная, рассчитанная на два
диапазона моментов @—0,15 кгс • см и 0—0,30 кгс-см). Этим
диапазонам соответствуют два съемных груза, устанавливаемых
внизу электромотора. Во избежание колебаний стрелки 9,
показывающей вращающий момент, прибор снабжен масляным
демпфером.
Скорости вращения мотора измеряются электрическим
тахометром (последний состоит из постоянного магнита с обмоткой
и лепестка, укрепленного на втором конце вала мотора; при
вращении вала лепесток, проходя между полюсами магнита,
индуцирует в его обмотке э.д.с, измеряемую
гальванометром 12). Для измерения скоростей в различных диапазонах
(от 100 до 600 об/мин, от 200 до 1200 об/мин и от 1000 до
6000 об/мин) имеется переключатель 13. Скорость вращения
мотора регулируется автотрансформатором. Гальванометр
служит также для определения э.д.с. переносной термопары (см.
рис. 167,6), измеряющей температуру образца на поверхности
(термопара подключается к гальванометру, когда последний
отключен от элект отахометра; 14 — переключатель).
2. Методы определения динамических свойств резины 313
Предусмотрен обогрев термостата / с регулировкой и
контролем температуры.
На приборе определяются:
1) динамический модуль
р _ 4M
2) модуль трения К, вычисляемый из выражения:
1гЧ%
где /— длина рабочего участка образца;
г — радиус образца;
Єо — амплитуда деформации на поверхности образца;
М — момент, возникающий при изгибании образца
(определяется по величине уравновешенного груза 2);
Mi — вращающий момент, измеренный с помощью системы
мотор—весы*.
Измерительная система мотор—весы применяется также
в ротационном приборе для многократного растяжения10911,
основанном на принципе, предложенном Муни112. Прибор
является универсальной машиной, позволяющей, наряду с
измерением упруго-гистерезисных свойств в различных режимах,
осуществлять утомление образцов в виде двусторонних лопаток.
Та же измерительная система .применена107 в приборе ПК-4,
предназначенном главным образом для испытания шинных
резин (рис. 168). Аналогичный прибор недавно создан в Англии108.
Характерной особенностью прибора является то, что на нем
реализуется несииусоидальная периодическая деформация,
близкая к имеющим место при эксплуатации многих резинозых
изделий.
Кольцевой образец / устанавливается на стальном
сердечнике на оси коллекторного мотора. Прижимной ролик 14,
представляющий собой свободно вращающийся 'подшипник,
укрепленный на динамометрическом рычаге //, вызывает
определенную деформацию части резинового образца, входящей в контакт
с роликом. Деформация измеряется по глубине погружения
ролика в образец микрометром 17. На рычаге //, качающемся
в подшипниках, укрепленных в стойках 13, нанесена шкала, по
которой может скользить груз 7, Испытание образца можно
производить, задавая усилие в образце (устанавливая груз 7
на заданном делении шкалы) и измеряя деформацию микро-
* Для точности испытания 10% достаточно определить динамические
характеристики на двух-трех образцах.
314 Гл. IV. Испытание ргэин на упругость и гистерезис в динам, условиях
метром 17, либо задавая деформацию (глубину погружения
ролика в образец) и измеряя усилие (подбором соответствующего
положения груза 7 по шкале).
Статор мотора свободно качается соосно с ротором в
подшипниках 5. Ротор и образец вращаются в своих подшипниках
независимо.
На статоре мотора установлен малый динамометрический
рычаг 10 со шкалой и скользящим грузом 6 (или весовой
квадрант) для измерения касательной составляющей динамического
W
ллллАлллЛ-—8
Рис. 168. Прибор ПК-4 для определения динамических свойств резины
в режиме качения:
/—образец; 2—сердечник; 3—обоймы; 4—термопара; 5—подшипники; 6, 7—грузы;
8—реостат; 9—гальванометр; 10, 11—рычаги; 12, 13—стойки; 14—прижимной ролик;
15, 16—противовесы; 17—микрометр; 18—тахометр.
усилия. Последняя определяет значение тормозящего момента,
обусловленного главным образом наличием механических
потерь при прокатывании кольцевого слоя резинового образца
между роликом 14 и сердечником образца. Остальные
составляющие механических потерь (на трение в подшипниках ротора, в
прижимном ролике и на преодоление сопротивления воздуха),
являясь практически постоянными при разных условиях
деформации, могут быть определены в «глухом» опыте без образца
резины.
Скорость вращения образца измеряется и поддерживается
постоянной магнитным тахометром 18 и реостатом 8. Последний
позволяет изменять скорость от десятков до тысяч оборотов
в минуту.
На рычагах 10 и // имеются также противовесы
(балансиры 15 та 16).
2. Методы определения динамических свойств резины 315
Температура образца может измениться за счет
самонагрева, а также обогревом в воздушном термостате — камере, через
которую продувается нагретый воздух. Измерения температуры
производятся периодически в трех точках (при остановке
прибора) с помощью термопары 4 и гальванометра 9.
Измерив радиальное динамическое усилие Р, максимальный
прогиб образца w в зоне контакта с роликом и тормозящий
момент М, можно определить динамический модуль и модуль
внутреннего трения в зависимости от скорости качения и
температуры испытуемого образца.
Точность испытания на ПК-4 примерно та же, что на
дизпи.
Негармоническое нагружение реализуется и на
вибраторах118- 11Э, применяемых, однако, лишь для исследовательских
работ.
Заключая раздел об определении динамических (упруго-
гистерезисных) свойств резины, необходимо отметить, что в
настоящее время в СССР стандартизованы12023 как наиболее
перспективные следующие испытания: ударное растяжение на
маятнике Бидермана, знакопеременный изгиб на приборе ДИЗПИ,
качение кольцевых образцов на приборе ПК-4 (или ПК-5).
Каждый из методов и приборов имеет определенное
назначение. Маятник Бидермана может быть рекомендован для
массовых контрольных испытаний резин, в том числе и образцов,
заготовленных из готовых изделий. Прибор ДИЗПИ необходим
для унифицированного общего метода оценки динамических
свойств резин при симметричном нагружении и обязателен в
комплекте со стендом СЗПИ (см. главу V) при испытании на
усталость в различных режимах (для задания соответствующих
параметров режима). Прибор ПК-4 предназначается для
специального испытания шинных резин.
Оценивая дальнейшие перспективы развития методов
определения динамических свойств, следует указать на
необходимость расширения частотных и температурных пределов
измерений. На этом пути наиболее реальным оказывается
использование широкого диапазона температур.
Для изменения частот на 4 и более порядков требуется
создание нескольких, часто принципиально различных приборов.
При этом, естественно, может потребоваться изменение
размеров и формы образца, а также типа деформации. Такой путь
мало рационален. По-видимому, более разумно иметь другие
решения. Так, пользуясь методом приведения, рассмотренным
в разделе 1, можно расчетным путем получить зависимость
динамических свойств от частот, которые не применялись для
непосредственных измерений. Это позволяет создать единый при-
316 Гл. IV. Испытание резин на упругость и гистерезис в динам, условиях
бор и метод, в котором недостаточный набор частот
(изменяющихся всего лишь на 3—4 порядка) компенсируется
изменением температур от —60 до +100 °С.
Подобное назначение будет иметь созданный НИКИМП
гармонический вибратор, на котором реализуются сравнительно
небольшие деформации симметричного сдвига.
ЛИТЕРАТУРА
1. J. D. Ferry, E. R. Fitzgerald, M. F. Johnson,
L. D. G г а n d і n, J. Appl. Phys., 22, 717 A951).
2. A. R. Payne, J. R. Scot t,, Engineering design with rubber (The
Properties Testing and Design of Rubber as an Engineering Materiale),
London, New York, 1960.
3. M. M. P p з и и к о в с к и й, Б. А. Д о г а д к и н, Хим. пром.,
№ 4, 35 A954).
4. W. J. S. N a u n t о п, The applied science of rubber, London, Edward
Arnold (publishers) Ltd, VIII, IX, Part I, 1961.
5. S. D. G e h m a n, Rubb. Chem. Technol., 30, 1202 A957).
6. J. H. Dillon, S. D. G e h m a n, India Rubb. World, 115, 61 A946).
7. R. F. Shaw, India Rubb. World, 118, 796 A948).
8. M. M. P є з и и к о в с к и й, в сб. «Материалы научно-технической
конференции по усовершенствованию и стандартизации методов физико-
механических исследований к испытаний каучука и резины», Госхим-
издат, 1951, стр. 56.
9. М. М. Р є з н и к о в с к и й, М. К. Хромов, Коллоид, ж., 14,
B-і 177A952); 14, 357 A952); Г. М. Бартенев, М. М. Резников-
1 с к и й, М. К. Хромов, Коллоид, ж., 18, 395 A956).
10. J. М. Ball, К. L. Randall, Rubb. World, 130, 795 A951).
11. А. И. Л у к о м с к а я, М. М. Р є з н и к о в с к и й, Труды НИИШП,
сб. 4, Госхимиздат, 1957, стр. 36.
12. Н. S. Sack, J. Motz, Н. L. Raub, R. V. W о r k, J. Appl.
Phys., 18, 450 A947).
13. A. VV. Noll e, J. Appl. Phys., 19, 753 A948); J. Polymer Sei., 5, 1
A950).
14. G. M a t t h a 1, Plaste u. Kautschuk, 3, 136 A956)
15. J. W. В а 1 1 о u, S. J. S і 1 v e r m a n, J. Acoust. Soc. Am., 16, № 16,
113 A944); J. W. В а і 1 о u, J. С. Smith, J. Appl. Phys., 20, 493
A949).
16. A. W. Nolle, J. Acoust. Soc. Am., 19, 19 A947); K. W. H і 1 1 і є r,
H. К о 1 s k y, Proc. Phys. Soc. (London), В 62, 111 A949); 701 A949);
Trans. IRI, 26, 64 A950).
17. D. G. Ivey, B. A. Mr о we a, E. G u t h, J. Appl. Phys., 20, 486
A949); R. S. Witte, В. A. M г о w с a, E. G u t h, J. Appl. Phys.,
20, 481 A949).
18. A. W. Noll e, S. С Mo w r y, J. Acoust. Soc. Am., 20, 432 A948);
A. \V. Nolle, J. Acoust. Soc. Am., 19, 194 A947).
19. A. W. Nolle a. oth., J. Appl. Phys., 23, 888 A952); 24, 5 A953).
20. E. V о 1 t e r r a, P. A. E u b a n k s, D. Munster, J. Am. Soc.
for Experimental stress Analysis, 13, 85 A955); F. V о 1 t e r r a, Proc.
II Intern. Congress on Rheology (London), 1948.
21. W. С. С r a m e r, J. Polymer Sei., 26, 57 A957).
22. R. E. Morris, R. R. James, H. L. S n у d e r, Ind. Eng. Chem
43, 2540 A951); R. E. Morris, R. R. James, С W. Guy to '
Rubb. 4re (New York 78, X« 5, 725 A956).
Литература 317
23. J. R- Cunningham, D. G. I v e y, J. Appl. Phys., 27, 967 A956).
24 J. E. Me. К і n n e y, S. E d e 1 m a n, R. S. M а г w і n, J. Appl.
Phys., 27, 425 A956); Rubb. Chem. Techno!., 30, 449 A957).
25 A. B. D. С a s s і e, M. Jones, \V. J. S. N a u n t о n, Trans. IRI,
12, 49 A936); Rubb. Chem. Technol., 10, 29 A937); W. J.S. Naunton,
J. K. S. W а г і n g, Proceed. I Rubber Technol. Confer., London, 1938,
p. 805; Rubb. Chem. Techol., 12, 332 A939).
26 C. W. Kosten, Proceed. I Rubber Technol. Confer., London, 1938,
p. 987; Rubb. Chem. Technol., 12, 381 A939).
27 H. J. Dillon, I. B. P r e t t у m a n, G. L. Hall, J. Appl. ¦
Phys., 15, 309 A944): Rubb. Chem. Technol., 17, 597 A944).
28. R. S. R і v 1 і n, Trans. IRI, 26, 78 A950).
29. Т. А л ф p e й, Механические свойства высокополимеров, пер. с англ.
под ред. М. В. Волькенштейна, Издатинлит, 1952.
30. Л. Т р е л о а р, Физика упругости каучука, пер. с англ. под ред.
' Е. В. Кувшинского, Издатинлит, 1953.
31. М. М. Р є з н и к о в с к и й, Хим. наука и пром., 4, № 1, 79 A959).
32. К. М е га m I e r, The Science of Rubber, Reinhold publishing
corporation, New York, 1934, p. 566.
33. G a s t о n, Ball Testing Apparatus for Estimation of Resiliency of Metalls,
Rubber and other Materials, U. S. Patent, № 1, 441, 626 (January, 9, 1923).
34. Г. Ш. И з p a e л и Т, Механические испытания резины и каучука,
Госхимиздат, 1949, стр. 239.
35. Н. Н. В a s h о г е, Rubb. Chem. Technol., 10, 820 A937).
36. С. С. Davis, J. Т. Blak e, The Chemistry and Technology of
Rubber, Reinhold Publishing Co., New York, 1937, p. 812.
37. Whitney Rebound Test, Commercial Truck Tire Co. of America-Rock Island
Arsenal Specification RIXS-24, Solid Rubber Tires, January 13, 1933.
38. I. Williams, Rubb. Chem. Technol., 3, 74 A930).
39. L. Hock, Z. Techn. Physik., 6, 50 A925).
40. R. S. H a v e n h і 1 1, J. J. R a n k і n, India Rubb. World, 107, 365,
416 {1943); Rubb. Chem. Technol., 16, 650 A943).
41. A. Schob, Mitt. Material prufungsamt, 37, 227 A919); К.
Memmler, The Science of Rubber, New York, 1934, p. 571.
42. DIN 53512. Bestmraung der Sto?elastizitat von Weichgummi.
43. A. S с h о b, Kautschuk, 18, № 2, 19 A942).
44. ГОСТ 425—41. Определение полезной упругости губчатой резины
ударной нагрузкой на маятниковом копре Шоба.
45. ГОСТ 6950—54. Резина. Метод определения эластичности.
46. Р. L u р k e, The Vanderbilt News, 3, № 6, 10 A933); Rubb. Chem.
Technol., 7, 591 A934).
47. F. В. J о n e s, W. H. P e a r с e. Proceed. 1 Rubber Technol.
Confer., London, 1938, p. 830; Rubb. Chem. Technol., 12, 403 A939).
48. ISO, Technical Committee RUC/10 Testing of Rubber «Draft British
Standard Methods for the determination of rebound resilience of vulcanized
rubber (revision of B. S. 903, part 22)».
49. The Vanderbilt Rubber Handbook, Ed. by J. M. Ball., N. Y., 1942,
p. 296—305.
50. The Vanderbilt News, 10, 26 A940); Trans. IRI, 20, 24 A944).
51. A. H e a 1 e y, India Rubb. J., 69, 57, 101 A925); Rubb. Age (London),
5, 621 A925).
52. J. H. Fielding, Ind. Eng. Chem., 29,88 A937);Rubb. Chem. Technol.,
10, 807 A937).
53. Colombian Colloidal Carbons, p. 86—101, Columbian Carbon Co., Kew York
A938); W і e g а її d. Ueceiu Developments in Colloids! Carbon, p. 45,
Coli'mhiaii Carbon Co . \>-- Yorl, A944).
318 Гл. IV. Испытание резин на упругость и гистерезис в динам, условиях
54. ASTM D1054—55. Standard Method of Test of Impact Resilience and
penetration of rubber by the rebound pendulum.
55. G. E. В a r n e t t, W. С Mathews, Rubb. Chem. Technol., 8, 139
A935); N. Goodwin, С R. Park, Ind. Eng. Chem., 20, 621 A928).
56. Г. М. Бартенев, Н. М. Новикова, Коллоид, ж., 21, 3 A959) ¦
57. Е. В. К у в ш и н с к и й, Е. А. Сидорович, ЖТФ, 26, 878
A956).
58. М. М. Резниковский, В. С. Юровская, Б. А.
Догадки н, Коллоид, ж., 14, 444 A952).
59. М. М. Резниковский, Е. Г. В о с т р о к н у т о в, М. К.
Хромов, в сб. «Старение и утомление каучуков и резин и повышение их
стойкости», Госхимиздат, 1955, стр. 68.
60. Г. С. У и т б и, К. К. Д э в и с, Р. Ф. Д а н б р у к,
Синтетический каучук, гл. XII, Госхимиздат, 1957.
61. F. L. Y e r z 1 е у., Ind. Eng. Chem., Anal. Ed., 9, 392 A937), Proc. Am.
Soc. Testing Materials, 39, 1180 A939); Rubb. Chem. Technol., 13, 14»
A940).
62. ASTM D945—55. Standard Methods of Test for mechanical properties of
elastomeric vulcanizates under compressive or shear strains by the
mechanical oscillograph.
63. С. О. Harris, J. Appl. Mech., 9, A129—A135 A942); Rubb. Chem.
Technol., 16, 136 A943).
64. H. W a k e h a m, E. H о n о 1 d, India Rubb. World, 113, 377 A945).
65. M. Mooney, R. H. G e r k e, Rubb. Chem. Technol., 14, 35 A941);
15, 158 A942).
66. E. F. R і e s і n g, India Rubb. World., 112, 59, 186, 313 A945).
67. W. P. Fletcher, Rubber Developments, 8, 2 A955); Rev. gen. Caout.,
32, 722 A955); W. P. Fletcher, A. N. Gent, Trans. IRI, 26,
45 A950); W. P. Fletcher, A. N. Gent, R. I. Wood,
Proceed. II Rubber Technol. Confer., London, 1954, p. 47; J. E. M о у a 1,
W. P. Fletcher, J. Sei. Instr., 22, 167 A945); Rubb. Chem.
Technol., 19, 163 A946); A. N. Gent, Trans. IRI, 29, 173 A953); Trans.
Faraday Soc, 50, 521 A954).
68. L. E. N і e 1 s о n, Rev. Sei. Instr., 22, 690 A951); J. Am. Chem. Soc,
75, 1435 A953); ASTM Bulletin, 165, 48 A950).
69. D. H. Cornell, J. R. В e a t t y, Rubb. Age (New York), 60, 67»
A947); J. R. В e a t t y, D. M. Davis, J. Appl. Phys., 20, 533
A949).
70. K. Kuhn, О. К u n z 1 e, Helv. Chim. Acta, 30, 839 A947); Rubb.
Chem. Technol., 28, 694 A955).
71. T. E. Morrisson, L. J. Z a p a s, T. W. De Witt, Rev. Sei.
Instr., 26, 357 A955); L. J. Z a p a s, S. L. S h u f 1 e r, T. W. De
Witt, J. Polymer Sei., 18, 245 A955); Rubb. Chem. Technol., 29, 725
A956).
72. DIN 53445. Torsionsschwingungsversuch.
73. С W. Kosten, С. Zwicker, Physica, 4, 222, 843 A937).
74. S. D. Geh man, D. E. W о о d f о r d, R. B. S t a m b a u g h,
Ind. Eng. Chem., 33, 1032 A941); Rubb. Chem. Technol., 14, 842 A941);
K. E. G u i, С S. Wilkinson, S. D. G e h m a n, Ind. Eng.
Chem., 44, 720 A952); R. B. S t a m b a u g h, Ind. Eng. Chem., 34.
1958 A942); Rubb. Chem. Technol., 16, 40 A943).
75. S. D. G e h m a n, J. Appl. Phys., 13, 409 A942); Rubb. Chem. Technol.,
15, 860 A942); S. D. G e h m a n, P. J. Jones, D. E. Wood-
ford, Rubb. Chem. Technol., 17, 76 A944); L. A. Sebrell, R. P.
D і n s m о г e, India Rubb. World, 45, 104 A941).
Литература 319
81.
82.
83.
Г. С.
А. П.
A939)
Г. М.
К. С.
76 J. Е. М о у а 1, W. P. Fletcher, J. Sei. Instr., 22, № 4, 167 A945);
Rubb. Chem. Technol., 19, 163 A946); W. P. F le t с her, J. R. S с h o-
field, Rubb. Chem. Technol., 18, 306 A945); R. W. Z d a n о w і с h,
J. E. M о у а 1, Proceed. Instr. Mech. Engrs. (London), 153, 61 A945);
77. S. О b e r t o, G. P a 1 a n d r i, Rubb. Age (New York), 63, 725 A948);
Rubb. Chem. Technol., 22, 1009 A949).
78. M. G. Dilke, J. J. Millane, J. Appl. Chem., 4, 507 A945); Dr.
Ph. Schidrowitz, India Rubb. J., 127, 825 A954).
79. A. Angioletti, Kautschuk u. Gummi, 8, 219 A955).
80. H. С Horden, A. Grieco, J. Appl. Phys., 22, 842 A951); I. L.
Hopkins, Trans. Am. Soc. Mech. Engrs., 73, 195 A951); J. Appl.
Phys., 24, 1300 A953).
" Росин, Зав. лаб., № 10, 1180 A960).
Александров, Ю. С. Лазуркнн, ЖТФ, 9, 1249
; Каучук и резина, № 10, 34 A939).
Бартенев, С. Б. Ратне р, Н. М. Новикова,
Коненков, Хим. пром., № 4, 32 B24) A954); Г. М. Б а р-
т е н е о, Труды НИИРП, сб. 1, Госхимиздат, 1954, стр. С2; Н. Н.
Михайлов, С. Б. Р а т н е р, Каучук и резина, № 1, 8 A941).
-84. М. К о р н ф е л ь д, В. П о з н я к, ЖТФ, 9, 275 A939).
85. М. А. Ц ы д з и к, в сб. «Материалы научно-технической конференции
по усовершенствованию и стандартизации методов физико-механических
исследований каучука и резины», Госхимиздат, 1951, стр. 7.
№. Н. R o е 1 і g, Kautschuk, 18, № 6, 77 A942); Proceed. I Rubber Technol.
Confer., London, 1938, p. 821; Rubb. Chem. Technol., 12, 394 A939); 18,
62 A945).
87. DIN 53513. Prufung von Gummi. Bestimmung der Dampfung von
Weichgummi aus der Hysteresisschleife.
88. Каталог фирмы «Байер»: Farbenfabriken Bayer A. G. Leverkusen, «Gerat
zur Messung der elastischen Eigenschaften dynamisch beanspruchten
Werkstoffe».
89. С S. Wilkinson, S. D. G e h rr; a n, Anal. Chem., 22, 283 A950).
90. A. J. Aston, Trans. IRI, 28, 19 A952); L. M u 1 1 і n s, Trans. IRI,
26, 27 A950); J. R. S. W a r і n g, Trans. IRI, 26, 4 A950); Ind. Eng.
Chem., 43, 352 A951); I. Peter, W. Heidemann, Kautschuk u.
Gummi, 10, WT168 A957).
91. R. Ecker, Kautschuk u. Gummi, 6, WT127 A953).
92. H. Mc. С а 1 1 і о n, D. M. D a v і є s, Proceed. Institution of
Mechanical Engineers, 169, 1125 A955).
93. A. J. King, J. Inst. Electr. Engrs., 93, II, 198 A946).
94. M. К. Хромов, Л. С. П p и с с, М. М. Р є з н и к о в с к и й,
в сб. «Физико-механические испытания каучука и резины»,
Госхимиздат, 1960, стр. 5 (Труды НИИШП, сб. 7); М. К. Хромо в,
Каучук и резина, № 8, 24 A961).
95. М. А. Цыдзик, А. И. Лукомская, Г. Л. Слонимский,
в сб. «Прочность связи между элементами резино-тканевых
многослойных изделий в производстве и эксплуатации», Госхимиздат, 1956,
стр. 201.
96. G. W. Painter, ASTM Bulletin, № 45 A941); Rubb. Age, 74, 701
A954); ASTM Bulletin, № 177, 45 A951).
97. W. P h і 1 і p p о f f, J. Appl. Phys., 24, 685 A953).
98. A. R. Payne, Rev. gen. Caout., 33, 913 A956); Proceed. Ill Rubber
Techn. Confer., London, 1956, p. 413; Rubb. Chem. Technol., 30, 218
A957); A. R. Payne, J. F. Smith, J. Coll. Sei., 33, 432 A956).
99. F. N. В. Bennett, Proceed. IRI, 6, 29 A959).
100. Rubb. a. Plast Age, 38, № 1, 253 A957).
320 Гл. IV. Испытание резин на упругость и гистерезис в динам, условиях
101. R. S. Marvin, Е. R. Fitzgerald, J. D. Ferry, J. Appl.
Phys., 21, 197 A960); E. R. Fitzgerald, J. D. Ferry, J.
Coll. Sei., 8, № 1, 1 A953); E. R. Fitzgerald, Phys. Rev. 108,
690 A957).
102. J. D. Ferry, E. R. Fitzgerald, L. D. G г a n d і n e, M. L.
Williams, Ind. Eng. Chem., 44, 703 A952); M. L. Williams.
R. F. L an del I, J: D. Ferry, J. Am. Cliem. Soc, 77, 370 A955);
R. F. Landell, J. Coll. Sei., 12, 308 A957).
103. W. P. Fletcher, A. N. Gent, Brit. J. A. P., 8, 194 A957); J. Sei.
Instr., 29, 186 A952); Rubb. Chem. Technol., 26, 181 A953).
104. В. П. Володин, Е. В. Кувшинский, Приборы и техника
эксперимента, № 5, 86 A957).
105. Т. L. Smith, J. D. Ferry, F. W. S с h r e m p, J. Appl. Phys.,
20, 144 A949).
106. R. P. Schmuckal, Rubb. World, 133, 69 A956); Testing Topics,
10, 4 A955).
107. E. Г. Вострокнутов, M. M. Резниковский, Зав. лаб.,
№ 7, 885 A954); M. М. Резниковский, Е. Г.
Вострокнутов, М. К- Хромов, в сб. «Старение и утомление каучуков и
резин и повышение их стойкости», Госхимиздат, 1955, стр. 68.
108. D. Bu Id gin, G. D. H и b b a r d, Rubb. J. a. Intern. Plastic, 134,
19, 719 A958); Trans. IRI, 34, 201 A958).
109. E. Г. Вострокнутов, M. M. Резниковский, Зав. лаб.,
№ 3, 361 A957).
ПО. М. М. Резниковский, Е. Г. Вострокнутов, Л. С
П р и с с, в сб. «Старение и утомление каучуков и резин и повышение
их стойкости», Госхимиздат, 1955, стр. 76.
111. М. М. Резниковский, Л. С. П р и с с, М. К- Хромов,
Е. Г. Вострокнутов, Труды НИИШП, сб. 4, Госхимиздат,
1957, стр. 5.
112. М. М о о п е у, Rubb. Chem. Technol., 23, 4 A950).
113. В. J. Lazon, Trans. Am. Soc. Metals, 4, 499 A950).
114. B. Maxwell, U. S. Govt, Res. Rep., 25, 201 A956); J. Polymer
Sei., 20, 551 A956).
115. С. Д. Пономарев, В. Л. Б и д е р м а н и др., Основы
современных методов расчета на прочность в машиностроении, Машгиз, 1952.
116. И. X. Д и л л о н, Усталостные явления в высокополимерах, в сб.
«Усталость высокополнмеров», Госхимиздат, 1957, стр. 104.
117. Г. Ш. Израелит, Механические испытания резины и каучука,
Госхимиздат, 1949, стр. 299.
118. Н. А. Толстой, Р. Р. Феофилов, ЖЭТФ, 19, 421 A949);
М. Mooney, S. A. Black, Canad. J. Res., 28F, 83 A950); Rubb.
Chem. Technol., 23, 744 A950).
119. Л. С. П p и с с, Высокомол. соед., 2, № 9, 1309 A960).
120. В. В. И л ьи н и др., Стандартизация, № 8, 31 A963).
121. ГОСТ 10827—64. Резина. Метод определения динамического модуля и
модуля внутреннего трения при ударном растяжении.
122. ГОСТ 10828—64. Резина. Метод определения динамического модуля и
модуля внутреннего трения при знакопеременном изгибе.
123. ГОСТ 10953—64. Резина. Метод определения динамического модуля и
модуля внутреннего трения при качении.
124. I. de Meiy G. L. van Amerongen, Rubb, Chem. Techn., 29, 1215
A956).
Г л а ва V
ИСПЫТАНИЕ РЕЗИНЫ НА ПРОЧНОСТЬ
В ДИНАМИЧЕСКИХ УСЛОВИЯХ
1 УСТАЛОСТНО-ПРОЧНОСТНЫЕ СВОЙСТВА
Под утомлением следует понимать процесс изменения свойств
материала, происходящий под воздействием механических
напряжений и приводящий, 'в конечном счете, к разрушению.
В процессе утомления, наряду с механическими усилиями,
неизбежно действуют и другие, -немеханические факторы: свет,
тепло, химически агрессивная среда и т. д. Действие этих
факторов, однако, таково, что, изменяя свойства материала, обычно
в неблагоприятном направлении, оно. само по себе, т. е. в
отсутствие механических напряжений, не приводит к разрушению.
Поэтому следует по возможности четко различать понятие
«утомление» и «старение», имея в виду, что в последнем случае
речь идет о таких изменениях свойств, которые вызваны
действием только немеханических факторов.
Старение полимерных материалов и, в частности, резин
изучалось во многих работах, практическим следствием которых
явилась рекомендация ряда веществ, так называемых противо-
старителей, играющих защитную роль в отношении воздействия
света., кислорода, озона и т. д. В ряде случаев эти добавки
оказывают существенно положительное влияние на сопротивление
утомлению Возможно позі ому многие склонны рассматривать
процесс утомления как некоторый частный случай старения,
ускоряемого и усугубляемого механическими воздействиями.
Недостаточность такого подхода к изучению утомления
очевидна хотя бы уже потому, что в этом случае внимание
акцентируется на временных изменениях свойств, а сам процесс
механического разрушения из рассмотрения выпадает.
С другой стороны, сложность явления усталостного
разрушения резины в результате многократных нагружений
исключает возможность его описания на основе только тех
представлений, которые были рассмотрены в разделе, посвященном
прочностным свойствам.
21—2406
322 Гл. V. Испытание резины на прочность в динамических условиях
Основные определения
Усталостной выносливостью при динамическом утомлении
будем называть число циклов нагружения, которое может
выдержать, не разрушаясь, образец материала в
регламентированных условиях испытаний.
Условия испытаний желательно характеризовать в
следующем порядке: а) размеры и форма образца; б) вид
напряженного состояния; в) временной режим нагружения (частота
гармонического нагружеиия, форма импульса и периодичность при
негармоническом цикле и т. д.); г) значение средней
составляющей деформации или напряжения (если средняя
составляющая равна нулю, как уже указывалось, цикл называется
симметричным); д) амплитудное значение переменной
составляющей деформации, напряжения или энергии; е) тепловой
режим, т. е. температура образца (если она при сравнительных
испытаниях поддерживается постоянной, независимо от гистере-
зисных свойств резины), или температура окружающей среды
и некоторые дополнительные данные, характеризующие
теплообмен (если испытания проводят в условиях, когда температура
испытуемых образцов зависит от гистерезисных свойств
резины); ж) дополнительные особые условия, если они существенны
(среда, условия освещенности и т. д.). Например: усталостная
выносливость резины А при испытаниях образцов в виде
двусторонних лопаток (размерами, предусмотренными в ГОСТ 270—
53) на многократное растяжение с частотой 500 цикл/мин, при
средней составляющей деформации 100%, амплитуде
напряжения 0,5 кгс/см2 и температуре образца 70 °С равна 250 циклов.
Технологу, как правило, приходится проводить
сравнительные испытания, чтобы выяснить, во сколько раз резина II будет
более работоспособна, чем эталонная резина I, поведение
которой в изделии достаточно хорошо известно.
С точки зрения конструктора, представляет интерес
определить, при каком амплитудном значении напряжения испытуемая
резина II сможет обеспечить такую же выносливость, которой
обладает эталонная резина I при амплитудном значении
напряжения /о K2CJCM2.
Наибольшее амплитудное значение напряжения, при котором
материал в данных условиях испытания может обеспечить
заданную выносливость (или, что то же самое, выдержать, не
разрушаясь, данное число циклов), называется динамической
усталостной прочностью.
При испытаниях на многократное растяжение термин
«усталостная прочность» целесообразно заменить термином
«усталостное сопротивление разрыву». Если сравнительные испытания
У. Усталостно-прочностные свойства 323
на многократное растяжение проводят в условиях, когда
независимо задаваемым параметром является не напряжение, а
деформация, то наибольшее значение последней, соответствующее
заданной выносливости, следует, очевидно, называть
«усталостным удлинением при разрыве». Точно так же, если испытания
проводят в условиях, когда задана энергия разрыва,
правомерно использование термина «усталостная энергия разрыва».
Методические трудности и классификация важнейших
режимов
Методические трудности, возникающие при испытаниях
резины на усталость, связаны с рассмотренными уже выше
особенностями ее механических свойств, из которых наиболее
существенны:
а) релаксационный характер деформации, приводящий к
неоднозначности связи между напряжениями и деформациями,
зависящей, в случае циклического нагружения, от частоты и
длительности действия переменной нагрузки;
б) особое значение теплообразования за счет упругого
гистерезиса, что обусловлено не только относительно высоким
внутренним трением резины, но и ее низкой теплопроводностью,
а также высокой чувствительностью всего комплекса
механических свойств резины к температуре.
Вследствие релаксации видимое постоянство режима
нагружения при многократных деформациях резины и ей подобных
высокополимерных материалов в действительности не
обеспечивает неизменности условий испытания образца во времени.
Характер временных изменений различен при различных
режимах. Поэтому общая классификация режимов динамического
нагружения весьма существенна и анализ реальных режимов
нагружения резины в' тех или иных изделиях обязательно
должен предшествовать выбору методики лабораторных испытаний.
Если рассматривать простейший случай одноосного
гармонического нагружения, то, как уже указывалось, прежде всего
следует различать динамические режимы симметричного и
несимметричного циклов.
При симметричном цикле могут быть реализованы два
основных режима: заданной амплитуды деформации и заданной
амплитуды напряжения. В обоих случаях амплитуда
напряжений (деформаций), будет, очевидно, зависеть только от упругих
свойств (динамического модуля) резины.
Выбор того или иного режима испытаний при симметричном
цикле может оказать решающее влияние на результат при
сопоставлении резин, существенно отличающихся своей жест-
21*
324 Гл. V. Испытание резины на прочность в динамических условиях
костью. Так, повышение жесткости благоприятно влияет на
выносливость резины в режиме заданных напряжений и
снижает выносливость в режиме заданных деформаций.
Для характеристики симметричного цикла достаточно
указать частоту и амплитуду гармонически изменяющегося
напряжения или деформации (в зависимости от задания).
Для характеристики несимметричного цикла, наряду с
частотой и амплитудой переменной составляющей, необходимо
указать заданное значение средней составляющей напряжения либо
деформации.
В случае несимметричного цикла, очевидно, следует
различать режимы, в которых задано:
А — среднее_є и амплитудное ео значения деформаций;
Б — среднее / и амплитудное /о значения напряжений;
В — среднее і значение напряжения и амплитудное ео
значение деформации;
Г — среднее є значение деформации и амплитудное /о
значение напряжения.
Таким образом, при определенной частоте из четырех
параметров несимметричного цикла (среднее и амплитудное
напряжения, средняя и амплитудная деформация) независимо могут
задаваться значения только двух параметров; два же других
приобретают при этом те или иные значения, зависящие от
упругих и релаксационных свойств испытуемой резины. Сказанное
иллюстрируется схемой (рис. 169).
В частном _случае симметричного знакопеременного нагру-
жения е = 0 и /=0 режим В совпадает с режимом А, а режим Г
с режимом Б.
Помимо перечисленных, практическое значение имеет также
режим заданной энергии динамического нагружения (Wo~ ?0/0=
= const), который может осуществляться в сочетании либо с
заданной средней деформацией, либо с заданным средним
напряжением. При симметричном знакопеременном нагружении
последние два режима также совпадают
Из проведенного рассмотрения следует, что методические
трудности, обусловленные релаксационными свойствами резины,
легче всего могут быть преодолены при испытаниях в условиях
симметричного цикла (поскольку будет исключено накопление
остаточной деформации).
Что касается осложнений, связанных с теплообразованием
за счет гистерезиса, то они тем существенней, чем массивней
применяемый образец и выше частота циклического
нагружения. К сожалению, на образцах-полосках практически
невозможно реализовать сжатие, а следовательно, и симметричный
/. Усталостно-прочностные свойства
325
цикл. Проведение же испытаний при очень низких частотах и
малых амплитудах обычно невозможно из-за большой дли-
тельности, неприемлемой при лабораторных испытаниях.
г f=Const,fo=y(E),f0=fo(t) T
fo=const,i=f(E),i=i(T)
Рис. 169. Различные режимы
динамической деформации резины:
а—режим А: с , eo=c°nst;
б—режим Б: f_, fo=const;
в—режим В:єО' f =const;
г—режим Г: ~~%, fo = const.
(єі f—деформация, напряжение; є, f, є0,
/о—средние и амплитудные составляющие
деформации и напряжения).
326 Гл. V. Испытание резины на прочность в динамических условиях
Практически наиболее целесообразно проведение испытаний
в условиях внешнего обогрева или охлаждения, так чтобы,
в конечном счете, температура испытуемого образца могла
задаваться как независимый параметр.
Зависимость усталостно-прочностных свойств от условий
циклического нагружения
Несмотря на большое количество экспериментальных
исследований, посвященных зависимости усталостной выносливости
от различных факторов, сформулировать какие-либо
количественные закономерности пока затруднительно.
Основная причина такого положения в том, что большинство
данных получено разными методами, в несопоставимых
условиях, а иногда и в таких условиях, которые вообще не могут
быть строго проанализированы. Надо отметить, что широко
распространенные испытания на многократное растяжение, прозо-
димые обычно на образцах в виде двусторонних лопаток,
закрепляемых таким образом, что максимально сближенным
зажимам соответствует, при установке, недеформированное
состояние образца, должны быть отнесены к последнему типу
испытаний. В самом деле, для резины и других релаксирующих тел
среднее значение напряжения, отвечающее заданной
деформации, с течением времени убывает. В рассматриваемом
динамическом режиме явление релаксации среднего напряжения цикла
приведет к тому, что первоначально знакопостоянный (как по
деформациям, так и по напряжениям) цикл в процессе
многократного нагружения превратится в цикл знакопеременный (по
напряжениям). Действительно, среднее напряжение цикла равно
амплитудному лишь в начальный момент испытания; далее же,
вследствие релаксации, оно становится меньше амплитудного
(т. е. в образце возникают динамические напряжения сжатия).
Фактически, однако, при испытании полосок знакопеременность
цикла напряжений реализована быть не может из-за потери
образцами устойчивости и возникновения деформации
«продольного изгиба», т. е. «провисания» образца, делающего режим
испытания совершенно неопределенным.
Важнейшим параметром, определяющим значение
динамической выносливости резины, в простейшем случае
гармонического нагружения является амплитудная составляющая
напряжения.
Для аналитического описания соответствующей зависимости,
на основании экспериментальных данных, полученных в опытах
/. Усталостно-прочностные свойства
327
по многократному растяжению и изгибанию1, был предложен
степенной закон вида:
= const ¦ /on
A)
где /on—усталостная прочность на базе выносливости N
циклов.
В приведенном соотношении режим нагружения
характеризуется одним лишь амплитудным значением напряжения, и
поэтому соотношение A), строго говоря, применимо только к
утомлению при симметричном
нагружении, когда среднее
напряжение за цикл равно нулю.
Детальное исследование
соответствующей зависимости при
симметричном нагружении
показало, что степенной закон
удовлетворительно согласуется с
опытными данными, однако
целесообразно представить его в
несколько ином виде, лучше
согласующемся с требованиями
размерности и имеющем поэтому
более ясный физический смысл2:
Рис. 170. Общий характер
зависимости /0—N для двух резин,
отличающихся значениями
показателей fn и ?:
N =
Jsl.
/on
1—резина с высокой прочностью f=/Ol ¦
малым коэффициентом сопротивляемости
повторносте нагружения ?; 2—резина с
й f f
повторносте нагружен
B) низкой прочностью f
фф
коэффициентом ?.
В соотношении B) /сі есть прочность при однократном
нагружении, а ? имеет смысл коэффициента, характеризующего
сопротивляемость резины повторносте (или многократности) ее
нагружения. Таким образом, ? является важнейшей физической
характеристикой усталостной выносливости резины.
Действительно, распространенная оценка усталостных
свойств по выносливости или усталостной прочности, при
каких-то случайно выбранных условиях испытаний, может давать
практически ценные данные (если эти условия выбраны
правильно), но совершенно не отражает физической сущности дела.
Это можно проиллюстрировать рис. 170, на котором
представлено поведение двух резин, отличающихся значениями
показателей /oi и ?.
В соответствии с законом B) зависимость f0—./V в
логарифмической системе координат спрямляется, причем ордината,
отвечающая нулевому значению lgiV, есть lg/oi, а котангенс угла
наклона прямой — коэффициент ?.
328 Гл. V. Испытание резины на прочность в динамических условиях
Резина 1 отличается более высокой прочностью и этим
определяется ее преимущество при жестких режимах (больших
амплитудах напряжения). Вместе с тем резина / обладает
значительно меньшим сопротивлением повторности (т. е. большей
утомляемостью), почему при длительных испытаниях она
утрачивает свои пеимущества и даже уступает резине 2, менее
прочной, но более стойкой по отношению к повторным нагру-
жениям.
Из проведенного рассмотрения видно, что соотношение B)
позволяет дать физическое определение утомляемости^ как
чувствительности к повторности нагружения. и определить эту
утомляемость безотносительно к исходной прочности резины.
Значение соотношения B) еще и в том, что с его помошью
усталостная выносливость при любой амплитуде напряжения
может быть определена расчетным путем, если известны
значения характеристик foi и ? для данной резины.
В наиболее общем случае надо считать foi и ? зависящими
от частоты динамического нагружения. В ряде работ3, однако,
показано, что изменение частоты в не слишком широких
пределах (в 10—100 раз) практически не влияет на выносливость
резины, если испытания проводятся строго при одинаковой
температуре.
Как указывалось уже выше, предел прочности при
растяжении в условиях однократного нагружения и температур
нахождения резины в высокоэластическом состоянии также
относительно мало зависит от скорости растяжения. Отсюда следует,
что в интервале обычно применяемых механических частот
нагружения A0—50 гц) постоянные foi и ?, в соотношении B),
можно считать не зависящими от частоты и, что особенно
важно, амплитудное значение напряжения, вызывающего
разрушение при первом же цикле (foi), можно приближенно' приравнять
к пределу прочности при растяжении (f7), определяемому
обычным способом, при постоянной скорости растяжения (foi~fz)-
В настоящем его виде соотношение B) применимо к
описанию утомления только при симметричном цикле нагружения.
Оно может, однако, найти применение и для описания
закономерностей утомления при несимметричном цикле, так как этот
последний 'В первом приближении может быть рассмотрен как
результат взаимоналожения статической, не изменяющейся во
времени нагрузки (определяющей среднее напряжение цикла)
и переменной динамической нагрузки, симметричной
относительно статически напряженного состояния.
Наиболее простым предположением, которое могло бы быть
принято для описания совместного действия статической и
динамической нагр зок, является предположение об аддитивности
/. Усталостно-прочностные свойства 329
их действия, т. е. о том, что общая скорость разрушения в этих
условиях является суммой скоростей разрушения при
статическом и динамическом (симметричном) нагружении.
Количественное рассмотрение может быть проведено следующим образом.
Рассмотренный уже ранее в разделе 1 главы II степенной закон B9)
долговременной прочности можно представить в виде:
где тСт—долговечность при напряжении fj
ft—долговременная прочность при т=т1=1;
а-коэффициент, характеризующий стойкость резины по отношению к
длительному действию статической нагрузки.
Далее можно принять, что при т1= 1 соответствующая прочность
приближенно характеризуется пределом прочности при растяжении (Д—/^). Таким
образом, приведенное выше соотношение для выносливости -хсх_ под
воздействием статической составляющей / можно записать:
Далее из закона B) можно записать для динамической составляющей,
имея в виду, что разрушающее при однократном нагружении напряжение в
случае, когда имеется отличная от нуля статическая составляющая
напряжения, будет характеризоваться разностью }г—"J:
где V—частота динамического нагружения.
Суммируя скорости разрушения под действием статической и динамической
составляющих, получим окончательно:
¦с ^ст. ^ хднн. V /г / \fz~f
Такого рода предположение в ряде случаев оказывается
достаточным для количественного описания 'выносливости при
несимметричных циклах, когда средняя составляющая
относительно невелика.
В общем случае приходится, однако, считаться с тем, что
статическая деформация переводит элементы структуры резины
в ориентированное состояние, что может влиять на
динамическую утомляемость.
Другими словами, значение коэффициента ?, определенное
в условиях динамического нагружения при симметричном цик-
330 Гл. V. Испытание резины на прочность в динамических условиях
ле, может не характеризовать динамической утомляемости
резины в статически напряженном состоянии. Особенно это
справедливо по отношению к резинам на основе натурального
каучука и других полимеров, способных кристаллизоваться при
растяжении.
Статическое растажзние-сжагпие
Динами
чесний
сдвиг Л
от
-25
до
от
О
до
5О
от
75
до
'25
о%
N - 7 млн
/V = 1M/IH
N = 15 мл»
сжатие
растяжение
N=20млн
N - 2 млн
Л/ = 2 млн
ч
12'млн
N = 2 млн
=40 млн
Рис. 171. Данные испытаний на выносливость
N при сочетании динамического сдвига и
статической деформации растяжение—сжатие.
Для такого рода резин вопрос о зависимости выносливости
при динамическом нагружении от статической составляющей
цикла был предметом многих экспериментальных исследований.
Очень показательные данные, иллюстрирующие влияние
статической деформации растяжения — сжатия на динамическую
выносливость резины на основе натурального каукука4 при
многократном сдвиге, представлены на рис. 171.
Возможность повышения усталостной выносливости резин
на основе кристаллизующихся каучуков за счет применения их
в статически напряженном состоянии имеет большое
практическое значение. Что касается теоретического истолкования
явления, то оно в общем сводится к тем же рассуждениям,
которые были приведены при объяснении положительного влияния
на прочность резины ее способности кристаллизоваться в
растянутом состоянии.
Из числа немеханических параметров, существенно
влияющих на усталостную выносливость, в первую очередь должна
/. Усталостно-прочностные свойства
331
быть рассмотрена температура. Повышение температуры во всех
случаях ведет к значительному снижению усталостной
выносливости.
Зависимость выносливости при динамическом нагружении от
температуры близка к экспоненциальной. Применение для
описания этой зависимости закона Аррениуса явилось основой для
не вполне корректной попытки5 связать кинетику усталостного
разрушения с кинетикой протекания в резине различных
химических превращений (лежащих, по предположению, в основе
процесса утомления). Надо, однако, сказать, что роль химических
превращений тем существенней, чем выше температура и
длительней процесс утомления (т. е. менее форсирован
механический режим утомления). Наоборот, в условиях интенсивных
механических воздействий разрушение происходит относительно
быстро, причем роль химических изменений, особенно если
температура невысока, вряд ли существенна. Последнее
иллюстрируется, в частности, и приводимыми ниже данными по влиянию
кислорода воздуха на усталостную выносливость резин на
основе различных каучуков. Опыты проведены в условиях
симметричного цикла (изгиб гантелевидных образцов,
сопровождаемый их вращением) на монолитных (неповрежденных)
образцах и на образцах со специально нанесенным поперечным
надрезом6.
Таблица 8
Влияние надрезов на усталостную выносливость резин (JV) в воздухе
Резина на
основе каучука
нк
СКВ
СКС-ЗОАМ . .
ски ....
и
Температура,
°С
106—108
108—112
115—118
95—98
в азоте при
(тыс.
N
циклов
деформации 26%
103),
образцы без надреза
в
воздухе
№)
1560
10900
810
1440
в
азоте*
5750
11800
2340
2520
N IN
270
9
190
70
Температура,
°С
106—108
107—112
102—105**
95—98
(тыс.
N
циклов
103),
образцы с надрезом
в
воздухе
(JVi)
540
1470
840
270
в
азоте*
870
1530
1290
390
N /N
О/
/0
60
4
53
44
• С концентрацией Ог 0.5—0,8%.
•* Деформация 21%.
Как видно из табл. 8, благодаря создаваемой надрезом
концентрации напряжений, уменьшаются и общая выносливость и
относительное влияние кислорода. Вообще же влияние кисло-
332 Гл. V. Испытание резины на прочность в динамических условиях
рода воздуха очень различно в зависимости от состава резины.
Так, для обследованных резин на основе натурального каучука
оно весьма существенно, в то время как для резин на основе
синтетического бутадиенового каучука его вообще не удается
обнаружить.
Одним из наиболее эффективных агентов, ускоряющих
усталостное разрушение, является атмосферный озон,
диффундирующий к поверхности земли из стратосферы, где он образуется
из кислорода под действеим ультрафиолетовых лучей. Даже в
ничтожно малых концентрациях (порядка 10~5—10'6%) озон
вызывает интенсивное растрескивание резин в поверхностном
слое, причем трещины всегда располагаются перпендикулярно
направлению растяжения, даже если оно составляет всего
несколько процентов.
Озонному растрескиванию подвержены резины на основе
натурального и синтетического полиизопреновых каучуков, на
основе бутадиенового, бутадиен-стирольного и др. Почти не
подвержены озонному растрескиванию резины на основе бутил-
каучука и хлоропренового каучука.
Его влияние на усталостную выносливость может быть очень
существенным и, по возможности, всегда должно
приниматься во внимание при проведении соответствующих
испытаний.
Природа усталостного разрушения и влияние состава
Так же как и при статическом нагружении, процесс
динамического усталостного разрушения может быть относительно
четко разделен на две стадии: стадию 'возникновения первичных
очагов разрушения и стадию их дальнейшего разрастания,
приводящего к разрыву.
По внешнему виду поверхности разрыва образцы резины,
разрушившиеся в результате многократного динамического
растяжения, не отличаются от образцов, разрушившихся при
однократном растяжении.
Как будет ясно из дальнейшего, при испытаниях резины на
усталость широко применяется раздельное определение
стойкости к образованию первичных очагов разрушения и к
разрастанию усталостных трещин. Последний вид испытания проводится
на образцах с искусственно создаваемыми очагами
разрушения (т. е. участками концентрации напряжений в виде
надрезов, проколов и т. п.).
При проведении такого рода испытаний установлено, что
резины, хооошо сопротивляющиеся возникновению первичных оча-
/. Усталостно-прочностные свойства 333
гов разрушения, часто плохо сопротивляются их разрастанию,
и наоборот.
Формально это может быть объяснено следующим образом.
Если принять, что взаимосвязь между амплитудой напряжения
и усталостной выносливостью дается соотношением:
*-(?)' C>
то для образцов с искусственно созданным участком
концентрации напряжений оно может быть записано в форме:
где N' — усталостная выносливость образца с искусственно
созданным очагом разрушения;
К—коэффициент концентрации напряжений, зависящий
от геометрии испытуемого образца и способа создания
участка концентрации.
Разделив выражение D) на соотношение C), имеем:
Из полученного соотношения следует, что если две резины
обладают одинаковой усталостной выносливостью при данной
амплитуде напряжения, то в условиях концентрации
напряжений преимуществом будет обладать резина с меньшим
коэффициентом усталостной выносливости.
Надо полагать, что относительная роль физических и
химических факторов на разных стадиях утомления резины
различна. Имеются данные о том, что возникновение первичных
очагов связано главным образом с химической стойкостью
резины, между тем как сопротивление разрастанию этих
очагов определяется в основном ее физическими
свойствами.
Это подтверждается, в частности, данными табл. 8, из
которой видно, что кислород воздуха влияет на кинетику
разрастания искусственно созданных очагов разрушения гораздо
меньше, чем на кинетику разрушения неповрежденных образцов,
связанную с образованием такого рода очагов.
В этой связи интересно также сопоставление резин из
натурального полиизопренового (НК) и синтетического
полибутадиенового (СКВ) каучуков. Как известно, резины из НК су-
334 Гл. V. Испытание резины на прочность в динамических условиях
щественно отличаются от резин из СКВ повышенной прочностью
и малым внутренним трением, обусловливающим весьма
благоприятные гистереэисные свойства.
С другой стороны, резины из НК характеризуются
относительно низкой химической стойкостью, проявляющейся в их
быстром старении, значительной окисляемости и т. д. В
соответствии с этими свойствами резины «з НК плохо
сопротивляются образованию первичного очага разрушения и обладают
высокой стойкостью по отношению к его разрастанию.
Наоборот, резины из СКВ хорошо противостоят возникновению
первичного очага разрушения и плохо сопротивляются его
разрастанию.
Данные о резинах из НК и СКВ можно использовать и для
подтверждения развитого выше положения об относительной
роли физических и химических факторов в зависимости от
условий утомления. Пониженная химическая стойкость резин из НК
должна отрицательно влиять на их усталостную выносливость,
причем это влияние должно проявляться тем отчетливей, чем
выше температура испытания и ниже механические
напряжения, претерпеваемые резиной при утомлении. Действительно,
при достаточно высоких температурах (порядка 100 °С) и
относительно малых динамических деформациях (~20%) резины
из НК, при симметричном цикле, не только полностью теряют
свои преимущества по сравнению с резинами из СКВ, но в ряде
случаев оказываются даже менее работоспособными. В то же
время при испытаниях в условиях относительно больших
деформаций A00% растяжения), при невысоких температурах
(менее 70 °С) резины из НК значительно превосходят резины
из СКВ.
В общем можно сказать, что резина характеризуется
высокой усталостной прочностью, если она обладает: а) высокой
прочностью, б) малым внутренним трением и в) высокой
химической стойкостью.
Значение прочности очевидно, поскольку она
непосредственно определяет значение fz в соотношении C).
Что же касается двух других свойств, то они определяют,
по-видимому, сопротивляемость резины повторности (или
многократности) нагружения7 и, следовательно, значение
коэффициента ?.
Практически относительное значение каждого из
перечисленных свойств различно в зависимости от конкретных требований
к резине, режима ее динамического нагружения и характера
немеханических внешних воздействий.
Несколько замечаний о влиянии состава на усталостные
свойства резин.
/. Усталостно-прочностные свойства
335
Ниже приведены значения характеристик предела прочности
при растяжении fz и коэффициента сопротивляемости резин пов-
торности нагружения ? при 100 °С для резин на основе
некоторых наиболее широко применяемых каучуков:
нк. . .
СКБ . .
Эуропрен
h
170
42
97
5
10
6,9
Из приведенных данных видно, что различия в усталостных
свойствах, обусловленные природой каучукового полимера,
весьма существенны.
%f0
0,02'
n
L О
О 20 40 60 во WO
Содержание канальной сажи,
вес. ч. на ЮОвес. ч. каучука
Рис. 172. Усталостные характеристики,
соответствующие выносливости 10е циклов для вулка-
низатов с различным содержанием канальной
сажи (условия испытаний: частота 3000 циклов в
минуту; температура 100 °С):
/—усталостная прочность f ; 2—усталостное удлинение в ¦
г—усталостная энергия разрыва W .
Анализируя влияние других важнейших компонентов
рецептуры резины на основные свойства, определяющие ее
усталостную прочность, нужно отметить, что оно может быть весьма
противоречивым.
Так, факторы, оказывающие благоприятное влияние на
прочность, в ряде случаев ухудшают гистерезисные свойства
резины. Например, 'Введение активных наполнителей в резины
из некристаллизующихся каучуков повышает прочность, но
одновременно резко увеличивает внутреннее трение. В
соответствии с этим влияние наполнителей носит сложный характер, что
иллюстрируется рис. 172, на котором представлена зависимость
усталостной прочности foy, усталостного удлинения разрыва еоу
и усталостной энергии разрыва Woy, определенных при симмет-
336 Гл. V. Испытание резины на прочность в динамических условиях
ричном цикле нагружения, от содержания активной
(канальной) сажи в резине на основе бутадиен-стирольного
каучука8.
Мягчители (или пластификаторы) влияют на механические
свойства резины в значительной мере противоположно
активным наполнителям.
Снижая внутреннее трение, эти вещества одновременно
отрицательно влияют на прочность. Влияние их на усталостную
выносливость резин может быть различным ,в зависимости от типа
и жесткости динамического режима.
Вулканизация обычно приводит к повышению прочности,
росту динамического модуля, но мало изменяет внутреннее
0,06
0.04
0,0?-
x
V
\ *
7 \
/
У '
\, г
1
—--**^
г- С
-йу '
22
77
О і 8 12
Содержание серы, вес. v. на ЮОвес. ч. каучука
Рис. 173. Усталостные характеристики,
соответствующие выносливости 106 циклов для ненапол-
ненных вулканизатов бутадиен-стирольного
каучука с различными дозировками серы (условия
испытаний: частота 3000 циклов в минуту;
температура 100 °С):
1—усталостная прочность f ; 2—усталостное удлинение « .
3—усталостная энергия разрыва WQ
трение резины. При более длительной вулканизации,
сопровождающейся дальнейшим увеличением густоты сетки, предел
'прочности при растяжении проходит через максимум, выраженный
для кристаллизующихся каучуков более резко, чем для некри-
сталлизующихся.
Общий характер зависимости усталостных свойств резины
от степени ее вулканизации иллюстрируется графиком рис. 173,
на котором приведены данные испытаний резин на основе бута-
диен-стир'ольного каучука, отличающихся содержанием >вулка-
2. Опред. усталости, выносл., теплообр. и измен, свойств резин при утомл. 337
низующего агента (серы). Как и на предыдущем рисунке,
данные получены в условиях симметричного цикла нагружения,
а соответствующие характеристики определены на базе
выносливости в 106 циклов.
На основании представлений о связи между усталостной
прочностью и старением было проведено много исследований,
направленных на изыскание эффективных средств защиты
резины. Наряду с антиоксидантами, являющимися ингибиторами
окислительного процесса9, известно большое количество веществ,
называемых противоутомителями, введение которых в
относительно малых количествах A—2%) благоприятно отражается
на усталостных свойствах резин.
Согласно распространенному представлению,
противоутомителями являются те вещества, которые препятствуют
механически активированному окислению или другим химическим
реакциям, имеющим свободнорадикальный характер.
Как это было показано на примере полиизобутилена10,
механические разрывы молекулярных цепей в процессе утомления
могут служить источником образования свободных радикалов,
инициирующих процесс дальнейшей деструкции11.
Несомненный интерес представляют работы по изучению
зависимости усталостной прочности резины от характера
поперечных связей, образующихся в процессе вулканизации. Было
показано,12 что в зависимости от применяемого вулканизующего
агента и ускорителя между макромолекулами могут
образовываться поперечные связи типа: С—С; С—S—С; С—Sn—С,
причем наибольшей энергией обладают С—С связи F2,7 ккал'моль),
несколько меньшей — моносульфидные E4,5 ккал/моль);
значительно меньшей энергией обладает полисульфидная связь
B7,5 ккал/моль).
Вопрос об оптимальном типе связи или об оптимальной
комбинации различных типов связей для обеспечения наиболее
высокой стойкости резины по отношению к многократным
механическим воздействиям пока еше нельзя считать решенным.
2. ОПРЕДЕЛЕНИЕ УСТАЛОСТНОЙ ВЫНОСЛИВОСТИ,
ТЕПЛООБРАЗОВАНИЯ И ИЗМЕНЕНИЯ СВОЙСТВ РЕЗИН
ПРИ УТОМЛЕНИИ
Большинство машин для утомления относится к группе
вибраторов, работающих в одном режиме вынужденных
колебаний, главным образом в гармоническом режиме заданной
амплитуды деформации и реже — нагрузки.
Поэтому ниже будет применено деление существующих
методов по типу реализуемой деформации.
22-2406
338 Гл. V. Испытание резины на прочность в динамических условиях
В настоящее время известно большое число разнообразных
приборов. Это связано с тем, что испытание 'На утомление
должно производиться не только для выявления общих особенностей
механического поведения резины, но и с учетом частных
условий, характеризующих режим ее эксплуатации в конкретных
изделиях. Эти испытания относятся в основном к группе
специальных методов, которые должны давать результаты при
широко варьируемых параметрах механического режима13-16,
сопоставимые с эксплуатационными испытаниями.
К сожалению, многие из уже существующих приборов
и методов, за небольшим исключением, достаточно однотипны,
отличаясь главным образом не режимами испытания, а своими
конструктивными особенностями16-21.
Испытания на машинах для утомления могут быть
использованы при получении следующих характеристик:
1) температуры разогрева образца, косвенно
характеризующей гистерезисные свойства испытуемого материала;
2) усталостной выносливости.
Кроме того, на машинах могут задаваться определенные
периоды утомления с целью последующего определения на
других приборах кинетики изменения различных свойств
резин.
Ниже приводится описание основных машин для испытания
резины на усталость. Рассматриваются методы испытания
монолитных (цельнорезиновых) образцов. Испытаниям
многослойных образцов посвящена глава VI.
При испытаниях на усталостную выносливость особое
внимание должно быть обращено на необходимость уточнения
такого понятия, как момент разрушения образца.
Если производится статическое испытание образца на
разрыв, разрушением считается полное разделение образцов в
виде полосок или двусторонних лопаток на две самостоятельные
части. Разрыв начинается с образования видимой на глаз
трещины, быстро разрастающейся в направлении,
перпендикулярном растяжению.
При многократных деформациях на образце может быть
образована одна или сразу несколько трещин, разрастание
которых происходит медленно и часто в произвольных
направлениях. Поэтому целесообразно принимать за момент начала
разрушения появление первой трещины на образце. Поскольку
трещины обычно наблюдаются на глаз или при помощи
оптических приборов (луп или микроскопов), необходимо указывать
условия наблюдения. Определение полного разрушения или
конца разрушения при многократных деформациях в отсутствие
искусственно создаваемых очагов разрушения может быть
2. Опред. усталости, выносл., теплообр. и измен, свойств резин при утомл. 339
весьма произвольно. К моменту разделения на две части
тонкого образца в виде полоски или двусторонней лопатки
характер растрескивания его будет неодинаков для различных
резин. На массивных образцах определение полного
разрушения иногда вообще практически невозможно.
Испытания на многократное растяжение
Применение деформации растяжения при динамических
испытаниях на усталость имеет ряд преимуществ перед другими
видами деформации. Для испытания используются тонкие
образцы в еиде полосок или двусторонних лопаток, реже — в виде
колец или широких пластин. Такие образцы особенно удобны
для изучения температурных зависимостей, поскольку они
быстро и равномерно прогреваются, а также сохраняют достаточно
равномерное распределение температур в ходе испытания; при
этом, несмотря на теплообразование, температура внутри
образца практически равна температуре в тепловой камере машины.
¦При испытаниях в кислородной среде тонкие образцы также
незаменимы, поскольку обеспечивают наиболее равномерную
диффузию действующего агента в массу образца.
Во избежание провисания образца («образования петли»)—
см. раздел 1 — при проведении испытания на растяжение
целесообразно сочетать статические и динамические деформации
так, чтобы во время всего испытания среднее напряжение цикла
не было меньше амплитудного значения динамического
напряжения. При наличии статической составляющей изменяются
результаты, однако режим становится определенным, что дает
возможность сопоставления различных резин. Отсутствие
методических указаний по этому поводу является одним из
недостатков ГОСТ 261—5322. Другим существенным недостатком этого
ГОСТ является нечеткость определения момента разрушения
как «момента появления трещин или разрыва» образца. То же
относится и к ГОСТ 257—4123, по которому испытание на
многократное растяжение производится на вибраторе Шоппера.
Однако упомянутая машина и метод не нашли
распространения.
Этим стандартом предлагается методика задания
динамических деформаций, близких к статическим разрывным G0% от
удлинения при разрыве, определяемого согласно ГОСТ 270—53).
Начальное среднее значение деформации є в этом случае равно
амплитудному значению. При этом вследствие релаксации
напряжения неизбежно образование «петли». Выбор одной только
степени деформации ограничивает возможности сравнительной
характеристики резин.
22*
340 Гл. V. Испытание резины на прочность в динамических условиях
По ГОСТ 261—41,24 для испытания на многократное
растяжение используется машина Де-Маттиа25~27. Она была
существенно модифицирована21 и благодаря применению специальных
приспособлений стала почти столь же универсальной машиной
для испытаний на усталостную выносливость, как и
разрывная машина при статических испытаниях.
На машине типа Де-Маттиа помимо растяжения
производятся многократные деформации сжатия, сдвига, изгиба,
определяется динамическая прочность связи между слоями различных
резин и резины с другими материалами.
На рис. 174 дана кинематическая схема машины этого типа,
изготавливаемой заводом
«Металлист» (МРС-2).
На рис 175 показано
принципиальное ее устройство.
На массивной станине 1 (см.
рис. 174 и 175) имеются
направляющие 2, по которым могут
перемещаться траверса 3 и
ползун 4.
В траверсе и ползуне
размещены зажимы для образцов,
состоящие каждый из подвижной и
неподвижной планок с
рифлеными (для предотвращения
выскальзывания образцов)
поверхностями.
Закрепление образцов їв
зажимах осуществляется винтами,
передвигающими подвижные ллан-
ки зажимов. Траверса 3 может
,10
Рис. 174. Кинематическая схема
машины МРС-2
/—станина; 2—направляющие:
са; 4—ползун; 5—маховичок
3—тра
верб—шатун;
7—палец; в—диск; 9—винт; 10—шкив.
закрепляться неподвижно после
установки ее на выбранном
расстоянии при помощи ручного
маховика 5.
Ползун 4 шарнирно связан с шатуном 6. Конец шатуна
охватывает палец 7, закрепленный в прорези диска 8. Ползун 4
совершает возвратно-поступательное движение при вращении
диска 8 B50 или 500 об/мин), насаженного на одной оси с
двухступенчатым шкивом 10, который приводится в движение от
электромотора через клиновой ремень.
Для удобства смены ремня при изменении числа оборотов
мотор закреплен на подвижной площадке.
Ход ползуна 4 определяется установкой эксцентриситета
пальца 7 в прорези диска 8 при ломощи, винта 9. От хода пол-
2. Опред. усталости, вынос, теплообр. и измен, свойств резин при утом.341
зуна зав'Исит степень динамической деформации испытуемых
образцов. В соответствии с длиной зажимов на машине может
быть установлено одновременно от 6 до 18 образцов для испы-
Рис. 175. Принципиальная схема машины МРС-2:
/—станина; 2—направляющие; а—траверса; 4—пслзун; 5—маховичок;
6—шатун.
тания. Для правильной установки образцов служит специальное
зажимное приспособление (рис 176). Оно представляет собой
две планки 1 и 2, шириной 25 мм, длиной 227 мм, для
установки 18 образцов. Зажимание производится при помощи вин-
M4Xl=30
-Ф
227
и
'5c накаткой
1 T
Д
ZS
Рис. 176. Приспособление для одновременной установки
образцов в зажимах машины МРС-2:
1, 2—планкн; 3—винты; 4—гайки; 5—образцы.
342 Гл. V. Испытание резины на прочность в динамических условиях
8
тов 3 и гаек 4. Зажатые в приспособление образцы помещаются
в зажимы машины МРС-2, закрепляясь при помощи винтов
по внешним меткам. Для этого, если испытание производится
без предварительного растяжения, расстояние между нижним
краем траверсы 3 (см. ірис. 174, 175) и верхним краем
ползуна 4, с которыми совпадают края зажимов, при крайнем
верхнем положении ползуна должно
составлять 50 мм. Оно
соответственно изменяется передвижением
траверсы 3, если задано
предварительное растяжение образца.
По ГОСТ 261—5325, для
испытания на многократное
растяжение применяются образцы,
либо удовлетворяющие ГОСТ
270—53, либо в форме
прямоугольных полосок длиной 70—
80 мм, шириной 10±0,2 мм >и
толщиной 2±0,3 мм. Закрепление
образцов производится на
расстоянии 50 мм ±0,1 мм без их
статического растяжения, а
длина рабочего участка составляет
25 мм. Никаких методических
указаний по установке образцов
не дано. В связи с указанным
очевидно ,что ГОСТ 261—53
требует коренного пересмотра.
Испытание на машине МРС-2
производится примерно в
режиме заданной амплитуды
динамической єо и средней
составляющей є деформаций (если
пренебречь возможным
провисанием образца), т. е. в режиме А.
Для ликвидации явления
провисания применяется испытание в режиме заданных амплитуд
динамического смещения (или деформации єо) и величины
средней нагрузки28'29 (или условного напряжения f) — в
режиме В.
На рис. 177 показана соответствующая модификация машины
И мотору
Рис. 177. Прибор Кармина и
Эпштейна для многократного
растяжения:
1—вал; 2—шатунно-крнвошнпный
механизм; 3, 4—зажимы; 5—трос; 6, 7—диск;
в—пружины; 9—собачка; 10—тяга; 11—
груз; 12—кулачковый механизм.
этого типа
28
Образец закрепляется между зажимами 3 и 4. Нижний
зажим 3 приводится в возвратно-поступательное движение при
помощи шат нно-кривошипного механизма 2, связанного с ва-
2. Опред. усталости, вынос, теплооор. и измен, свойств резин при утом. 343
лом 1, вращаемым от мотора. Верхний зажим 4 подвешен на
гросе 5 к диску 6, соединенному пружиной 8 с диском 7.
По окружности диска 6 имеются зубцы, з которые упирается
собачка 9, фиксирующая тем самым положение зажима 4.
К диску 7 подвешен сменный груз 11. От величины груза
// зависит сжатие пружины 8 и средняя нагрузка на
образец.
Когда образец максимально растянут, кулачковый механизм
12 посредством тяги 10 оттягивает собачку, освобождая диск 6.
Если напряжение в образце из-за релаксации уменьшилось,
то под действием сжатой пружины 8 диск 6 поворачивается,
подтягивая вверх зажим 4 и ликвидируя провисание образца.
При прохождении эксцентриком нижней точки тяга 10
освобождает собачку 9, которая снова входит в зубцы, фиксируя новое
положение зажима 4.
Представляет интерес и ряд других вариантов поддержания
заданной средней составляющей нагрузки f, пока еще не
реализованных в широких масштабах для .проведения повседневных
испытаний резины на усталость.
Прибор в котором осуществляется автоматическое
устранение «петли», образуемой образцом при растяжении, и таким
образом поддерживается постоянной статическая нагрузка,
изготовлен предприятием «Метримлэкс» в Будапеште для
испытаний на усталость тканевых полосок. В принципе он может
быть использован и для испытания резиновых образцов (пластин
или полосок). Схема его показана на рис. 178. Многократное
растяжение образца 5, предварительно статически растянутого
перемещением верхнего зажима 4, осуществляется с частотой
1900 циклов в минуту от нижнего зажима 6, связанного с
приводом посредством кривошипно-шатунного механизма.
Верхний зажим соединен с упругим элементом торсионного
силоизмерителя (стержнем кручения 3). При уменьшении
нагрузки в образце вследствие релаксации сигнал, выззанный
изменением угла закручивания уравновешивающего стержня 3,
передается на электронное регулирующее устройство /, которое
приводит в действие сервомотор 2; при этом верхний зажим 4
поднимается до тех пор, пока установится заданный уровень
нагрузки.
Закручивание стержня 3, пропорциональное нагрузке, и
перемещение нижнего зажима, пропорциональное деформации,
измеряется при помощи оптического устройства 8, которое
проектирует указанные величины по двум взаимно
перпендикулярным осям. В результате на экране 7 получается гистерезис-
ная петля, которая может быть скопирована или
сфотографирована.
344 Гл. V. Испытание резины на прочность в динамических условиях
Принцип действия электронного регулирующего устройства /
заключается в следующем.
Изменение нагрузки в образце вызывает кручение стержня 3
и поворот связанного с ним зеркала 9. На зеркало от источника
света 10 через систему линз //, щель 12 и объектив 13 попадает
световая полоска, отражаемая зеркалом на фотоэлемент 14.
Электронный выключатель настраивается так, что при отсутст-
$77777777
Рис. 178. Прибор «Метримпэкс» для утомления в режиме /=const, E0=const:
а—схема прибора, б—схема регулирующего устройства', /—регулирующее устройство;
2—сервомотор; 3—торсион; 4, 6—зажимы; 5—образец; 7—экран; 8—оптическое устройство; 9—зеркало;
10—источник света; //—линзы; 12—щель; 13—объектив; 14—фотоэлемент; 15—реле.
вии светового изображения на фотоэлементе 14 реле 15
включает сервомотор 2. Последний через кинематичексую схему
поднимает верхний зажим 4 до тех пор, пока вследствие возврата
стержня 3 и зеркала 9 в начальное положение световое
отражение дойдет до фотоэлемента, реле разомкнётся и отключит
мотор.
Электронный выключатель является выключателем
замедленного действия, вследствие чего он не реагирует на
колебания интенсивности светового отражения в пределах одного
цикла.
2. Опред. усталости, вынос, теплообр. и измен, свойств резин при
Испытания на многократное сжатие
Этот вид испытания нашел широкое применение, поскольку
сжатие имитирует работу многих ответственных деталей и рези-
но-технических изделий.
Тем не менее испытанию на сжатие 'присуще наибольшее
число недостатков. В главе II (раздел 3) были указаны: 1)
неоднородность деформации вследствие эффекта трения на
торцах и вытекающая из нее зависимость напряжений и
деформаций от размера и формы образцов, 2) длительность прогрева
при тепловых испытаниях и 3) необходимость затраты
существенных усилий для деформирования.
При динамических испытаниях возникают дополнительные
трудности. Прежде всего во избежание потери устойчивости
применяют прямоугольные или цилиндрические образцы со
стороной или диаметром сечения примерно в 1,5 раз меньшими, чем
их высота; для удобства наблюдения за моментом разрушения
и для исключения влияния неточностей заготовки образцов
размер последних составляет 10—25 мм или более Вследствие
теплообразования при многократных деформациях и плохой
теплопроводности резины, в образцах получается неоднородное
распределение температур.
Если падение напряжения при релаксации приводит к.
перемене знака напряжения (что возможно при сравнительно
небольших статических и больших динамических деформациях),
вследствие практической невозможности реализации знакопере-
менности цикла, одна из сжимающих площадок отрывается от
образца. Для ликвидации просвета между образцом и
площадкой при так называемой усадке образца приходится изменять
расстояние между площадками при испытании. Режим
испытания становится неопределенным. Таким образом, заданные
степени статического и динамического сжатия можно осуществить
лишь при условии, что е существенно больше во- В противных
случаях приходится прибегать к привулканизации торцов
образцов к площадкам, что сложно, а при больших усилиях —
ненадежно. Можно также осуществлять знакопеременный цикл
сжатие— растяжение на специальных образцах, как это будет
показано несколько ниже.
Для испытания на многократное сжатие применяется
машина типа Де-Маттиа. Обычно при сжатии цельнорезиновые
образцы испытывают на «теплообразование», а именно, после
определенных условий утомления замеряют температуру
внутри образца при помощи игольчатой термопары, вводимой
в образец с боковой поверхности (по середине высоты) до
его ори.
346 Гл. V. Испытание резины на прочность в динамических условиях
По ГОСТ 266—5330, определение температуры внутри
образца производят через 25 мин после сжатия с частотой 250±20
или 500±20 циклов с минуту.
Амплитуда деформации сжатия устанавливается в
стандартах или технических условиях на соответствующие резиновые
изделия.
Если необходимо определить кривую нарастания
температуры в процессе самого испытания, то обычно измеряют
температуру у торца образца.
Рис. 179.
Образцы для
испытания на
многократное сжатие
по ГОСТ
266—53.
Рис. 180. Сжимающие
площадки к машине МРС-2 при
испытании на многократное сжатие.
Применяют цилиндрические образцы, показанные на рис. 179,
с приливом для установки их в нижней сжимающей площадке.
Сжимающие площадки, используемые при испытании на
многократное сжатие на машине МРС-2, даны на рис. 180.
На рис. 181 показано приспособление31 для испытания на
машине МРС-2 в режиме заданных средней нагрузки / и
амплитуды єо динамической деформации сжатия (режим В).
Образцы 3 помещаются между нижней площадкой на
ползуне 2 с приводом 1 и верхними площадками 4, сидящими
на штоках 6. Последние проходят через отверстия рамы 7,
укрепленной в зажиме 5 траверсы машины. Действие
статической нагрузки на образцы передается от грузов 9. Грузы
подвешены на нитях, перекинутых через блоки 10, и создают
вращающий момент, поворачивающий микрометрический винт S и
закрепленную на нем площадку 12 до тех пор, пока сила
трения между поверхностями площадки 12 и площадки 13,
укрепленной на штоке 6, не уравновесит действие вращающего
момента.
2. Опред. усталости, вынос, теплообр. и измен, свойств резин при утом.347
В описанной системе по мере усадки образца автоматически
и непрерывно осуществляется его сжатие. Величины
статического поджатая определяются по лимбам // и на блоках 10.
Машина МРС-2 с соответствующим приспособлением может
быть использована также для утомления в знакопеременном,
в том числе и симметричном режиме растяжение—сжатие.
Для этого вулканизуются образцы гантелеобразной формы
10
Рис. 181. Приспособление к
машине МРС-2 для испытания на
многократное сжатие в режиме
заданных статической нагрузки и
амплитуды динамической деформации:
/—приводной шкив; 2—ползун;
3—образцы; 4—верхние площадки; 5—зажим: 6—
шток; 7—рама; S—микрометрический винт-,
9—грузы; 10—блоки; Л—лимбы; 12, 13—
площадка.
Рис. 182. Зажимы с образцами для
испытания на машине МРС-2 в
режиме растяжение—сжатие:
/, 2—зажимы, 3—образцы.
с рабочим участком длиной
24 мм и диаметром 16 мм,
показанные (в приспособлении)
на рис. 1826. _
Режим В многократного сжатия (eo = const, / = const)
характерен для широко распространенного флексометра фирмы
«Гудрич»323.
Принципиальное устройство флексометра этого типа324
(НИИШП, завод «Металлист») показано на рис. 183.
На призму 4, установленную на плите чугунной станины,
опирается своей серединой коромысло 3. По концам коромысла
подвешены постоянные грузы 1, увеличивающие момент
инерции коромысла и предотвращающие его раскачивание. На
один из концов коромысла добавляются сменные грузы 5,
служащие для статического сжатия образца.
На той же плите, что и призма, находятся две стойки для
крепления термокамеры и арретирующего приспособления. По-
348 Гл. V. Испытание резины на прочность в динамических условиях
следнее (на рисунке не показано) состоит из штока, входящего
своим коническим концом в соответствующее отверстие
коромысла.
Арретирующее приспособление запирает коромысло при
установке образцов, а также удерживает его от качания при
пусковом рывке. Для фиксации горизонтального положения
коромысла риска на его торце 12 должна совпадать с острием
указателя 2, укрепленного на станине. На переднем конце
коромысла расположен микрометрический привод к нижней
наковальне 16, на которой помещается образец.
з db
Рис. 183. Схема флексометра типа Гудрича:
/—грузы- 2—указатель; 3—коромысло; 4—призма; 5—сменные грузы; б—шкала на шайбе
эксцентрика; 7—ползун; «—установочные винты; 9—шайба; 10—шатун; И. /«—траверса;
/2-торец коромысла; 13—маховичок; 14—лимб; 15—штанги; 16, 17—наковальни;
19—гайка; 20—мостик; 21—контргайка; 22—термопара; 23—микрометрический винт.
Привод состоит из гильзы, имеющей внутри нарезку для
микрометрического винта 23. Наковальня 16 перемещается при
вращении маховичка 13. Подъем или опускание наковальни
отмечаются по лимбу 14 с ценой деления 0,02 мм. Каждый оборот
маховичка равен 1 мм смещения наковальни; обороты отсчиты-
ваются по рискам на винте 23.
Многократное сжатие образца осуществляется верхней
наковальней 17, помещенной в расточке верхней траверсы 18.
Верхняя наковальня может перемещаться при помощи гайки 19
и винта-стержня. Для закрепления ее в определенном
положении над мостиком 20 находится контргайка 21.
2. Опред. усталости, вынос, теплообр. и измен, свойств резин при утом.349
Верхняя траверса 18 соединена штангами 15 с нижней
траверсой И, связанной в свою очередь с шатуном 10. Последний
соединен посредством 'пальца с ползуном 7, способным
передвигаться в пазу вкладыша, прикрепленного к шайбе 9
эксцентрика. Для установки и фиксации ползуна имеются установочные
винты 8. Установка хода эксцентрика производится по шкале
6, расположенной на шайбе эксцентрика, и нониусу. На одной
оси с шайбой 9 насажен четырехступенчатый шкив,
приводимый через ременную передачу во вращение от электромотора.
На приборе можно реализовать, таким образом, четыре
различных частоты: 870, 1040, 1500 и 1800 сжатий в минуту.
В нижней наковальне 16 находится термопара 22 для замера
температуры в торце образца.
Термокамера, подключенная к ультратермостату, позволяет
производить испытания при различных температурах.
Для испытания применяются цилиндрические образцы
высотой 25 мм и диаметром 18 мм.
Из других, менее распространенных приборов для
многократного сжатия, известны флексометры фирм «Гудьир»19'35 и
«Денлоп»36, на которых обычно по повышению температуры з
образце оценивается теплообразование в резине.
Многократное сжатие можно осуществлять и на машинах Ре-
лига и Цыдзика (см. главу IV). Они допускают испытания в
разных режимах с попутным измерением динамических свойств.
Растяжение, сжатие и другие виды сложной деформации
производятся на машине37 Коха, Бантельмана и Пааша.
Сложное сжатие резиновых шариков реализуется также на
приборе Мартенса380.
Испытания на многократный сдвиг
Деформация сдвига распространена в эксплуатации
резиновых изделий в такой же степени, как и сжатие.
При испытании на сдвиг существенную трудность
представляет вопрос крепления образцов между площадками прибора.
Для малых деформаций можно применять привулканизацию
образцов к площадкам. Но это трудоемкий и ненадежный
способ. Можно также устраивать в площадках специальные
пазы (углубления) для частичного погружения в них образцов.
Однако для этого требуется набор площадок в соответствии с
разнообразием испытуемых образцов. Кроме того, возникает
опасность среза образца. Поэтому часто сочетают динамический
сдвиг и статическое сжатие образцов. Сжатие может
реализоваться двумя способами: 1) задание постоянной степени
сжатия, определяемой расстоянием между сдвигающими образец
площадками; 2 заданием постоянной сжимающей нагрузки.
350
Гл. V Испытание резины на прочность в динамических условиях
при которой, вследствие ползучести, расстояние между
сдвигающими площадками уменьшается (наблюдается усадка
образца).
Применение статического сжатия нарушает однородность
деформации.
На рис. 184 показана сдвиговая машина Цыдзика41,
испытание на которой стандартизовано в СССР42.
На массивном основании / монтируется четыре
колонки 15, являющиеся направляющими для подвижной травер-
18 17
ig.
Рис. 184. Машина Цыдзика для испытания на
многократный сдвиг:
1— основание; 2—ременная передача; 3—кронштейн; 4—грузы; 5—
шкала; 5—рычаг; 7—стопорный винты; 8—маховичок; 9—установочный
винт; 10—палец; 11—диск; 12—шатун; 13—вертикальные плиты; 14—
ползун; 15—колонки; 16— подвижная опора; 17—неподвижная опора;
18—стойка; 19—траверса; 20, 22—винты; 21—гайка; 23—подвижная
траверса; 24—площадки; 25—стрелка; 26—прорези.
сы 23. Снизу колонки скреплены попарно вертикальными
плитами 13. С внутренней стороны плит 13 в верхней части
имеются прорези 26, служащие направляющими для ползуна 14.
Между ползуном и траверсой помещается на привинченных к ним
текстолитовых площадках 24 испытуемый образец. Ползун 14
шарнирно связан с шатуном 12, второй конец которого
охватывает палец 10. Установкой пальца 10 в прорези диска 11 на
определенном расстоянии от центра последнего задают ход
ползуна 14, а с ним и нижней сдвигающей текстолитовой
площадки 24, отмечаемый стрелкой 25 на линейке, прикрепленной
к одной из вертикальных плит 13. Установка производится
винтом 9 ввинченным в головку пальца 10 и закрепленным на
2. Опред. усталости, вынос, теплообр. и измен, свойств резин при утом. 351
диске 11- Ползун совершает возвратно-поступательное
движение, вызывая сдвиг в образце, при вращении диска 11 от
мотора через ременную передачу 2.
Статическая нагрузка сжатия на образец создается
грузами 4, подвешенными на конце рычага 6. Неподвижная опора 17
рычага монтируется в стойках 18 на траверсе 19, укрепленной
на колонках 15. Подвижная опора 16 рычага передает
давление через винт 20 и гайку 21 винту 22. Гайка 21 имеет правую
и левую резьбу и, в зависимости от направления ее вращения,
винты 20 и 22 могут сближаться или раздвигаться,
соответственно перемещая траверсу 23 вверх и опору 16 рыгача 6 вниз
и наоборот. При подъеме траверсы 23 вверх для помещения
образца между площадками 24 опора 16 рычага опускается, а
рычаг садится на стопорный винт (предохранитель) 7,
установленный маховичком 8. При опускании траверсы 23 рычаг
поднимается опорой 16 и передает статическую нагрузку на
образец.
Измерение высоты образца под нагрузкой производится с
помощью стрелки на конце рычага 6 и шкалы 5,
закрепленной на отдельном кронштейне 3.
Если испытание производится при постоянной статической
деформации сжатия, то траверса 23 закрепляется стопорными
винтами или подобными ограничителями движения, а рычаг
вращением маховичка 8 ставится на винт 7.
Для испытания на сдвиг рекомендованы образцы
прямоугольной формы, площадью 35X22 мм2, высотой 12—20 мм.
Статическая нагрузка обычно составляет 154 кгс на образец.
Степень сжатия выбирают до 40%. Амплитуды сдвига доходят
до 12 мм.
Помимо усталостной выносливости (числа циклов до
разрушения) в ходе опыта определяется температура на торце
образца, а по окончании испытания —температура в центре
разрушенного образца, с помощью игольчатой термопары.
В выпускаемом заводом «Металлист» варианте этой
машины на одной станине параллельно расположены две пары
площадок; верхние площадки вибрируют от одного привода;
рычажные устройства для сжатия (отдельные к каждой паре
площадок) помещены под станиной прибора (как в аналогичной
машине с оптическим устройством, изображенной на рис. 159)
и действуют на нижние площадки. Таким образом, на машине
могут испытываться независимо два образца.
В США стандартизованы34 флексометры Ст. Джо19' 43>44 и
фирмы «Файерстон»19'45.
Машины не представляют существенного интереса. Они
работают в режиме заданной амплитуды динамического сдвига и
352 Га. V. Испытание резины на прочность в динамических условиях
постоянства статической нагрузки. На флексометре Ст. Джо,
кроме того, при сдвиге образцы периодически изгибаются.
В изображенном на рис. 185 приборе46 осуществляется
многократный сдвиг в режиме постоянства динамической
нагрузки.
Образцы 1 в виде цилиндров, привулканизованных на
торцах к металлическим дискам, металлическими частями
вставляются в зажимы 2. Последние свободно вращаются в
сферических подшипниках от мотора через ременную передачу на
Рис. 185. Схема машины Рёлига и Фроманди
для многократного сдвига: /—образец не
нагружен; //—положение образца при нагруженин;
1—образец; 2—зажимы; 3, 4—рычаги; о—груз; 6—салазки;
7—шкив.
шкив 7. При нагружении рычага 4 путем передвижения на его
конец груза 5 приводят в соприкосновение рычаги 4 и 3,
смещая находящийся на конце рычага зажим и передавая
нагрузку на образец.
Поскольку образец вращается, при смещении в нем
осуществляется многократный сдвиг. В частности, может быть
реализован симметричный знакопеременный цикл.
Путем смещения всего рычажного устройства на
салазках 6 образец может получить предварительное (статическое)
растяжение или сжатие.
Одним из преимуществ испытания на сдвиг является
возможность задания симметричного знакопеременного цикла14.
2. Опред. усталости, выпосл., теплообр. и измен, свойств резин при утомл. 353-
Испытания на многократные изгиб и кручение
Один из старейших приборов для испытания на
многократный знакопостоянный изгиб — прибор Торренса47 и его
модификации18'48. Каждый из слоев образца, считая по толщине,
испытывает свою по амплитуде деформацию, протекающую по
периодическому закону с промежутками отдыха. Этот тип
деформации представляет определенный интерес для
специального испытания при оценке
подошвенных резин. Испытание на
приборе стандартизовано в СССР48.
Многократный симметричный
знакопеременный изгиб
осуществлен на машине Шпрингера, схема
которой показана на рис. 18649.
На оси мотора / закреплен
зажим 2 образца 3. Второй зажим 4
вращается в подшипнике 5,
который может перемещаться по на-
правляющей дуге 6, закрепляясь
так, что его ось устанавливается
под определенным углом к оси
мотора. Образец имеет цилиндриче- Рис. 186. Машина для испы-
скую форму и канал внутри для тания резины на многократ-
размещения термопары.
Если изогнутый на заданный
угол образец вращается, то слои
его за исключением нейтральной
оси, попеременно подвергаются
сжатию и растяжению. Скорость вра-
ный симметричный
знакопеременный изгиб при кручении
(сверху показан образец с
вводом для термопары):
/—электродвигатель; 2, 4—зажимы;
3—образец; 5—подшипник;
6—направляющая дуга.
щения (950 об/мин) зажима 4 определяют частоту цикла дефор*
мации.
На рис. 187,а, показано распределение амплитудных
значений деформаций по диаметральному сечению образца15.
Относительное удлинение наружного слоя образца,
изогнутого на центральный угол а, равно, например:
I
Я.
¦~ Ro l
где /?i и /?о — радиусы наружного слоя и нейтральной оси
образца.
По сравнению со знакопеременными режимами сдвига и
сжатия — растяжения, знакопеременный изгиб имеет такие ме-
23—2406
354 Гл. V. Испытание резины на прочность в динамических условиях
тодические преимущества, как возможность применения
относительно больших деформаций (до 30%) без заметных краевых
эффектов, удобство крепления образцов и сравнительно
невысокое теплообразование (вследствие того, что зона максимальной
деформации находится на поверхности образца), отсутствие
заметного «разнашивания» образцов. В то же время ему
присущи такие недостатки, как неравномерное распределение
температур внутри образца (см. рис. 187,6, в), чего нет на
тонких образцах, а также приближенность симметричности цикла
при больших деформациях (так, при деформации на
поверхности образца в 30%
нейтральная ось смещается в
сторону зоны сжатия на 7%
величины радиуса).
Кроме того, при изгибе
реализуется неоднородное
напряженное состояние (см.
рис. 187,а).
Описанное выше
испытание на усталостную
выносливость при изгибе с
кручением получило
распространение в СССР15 в связи
с применением прибора13
для измерения упруго-гисте-
резисных свойств (см.
главу IV) образцов гантелеоб-
разной формы (рис. 167,а)
и усовершенствованием
методики измерения темпера-
Рис. 187. Распределение деформаций
и температуры в гантелеобразных
образцах.
а—распределение деформаций "в по диаметру,
6—распределение температуры Г по диаметру;
в—распределение температуры'(°С) в
продольном сечении образца.
туры в образце.
Прибор дает
возможность задавать различные
режимы испытания на
утомление. Поскольку режим
утомления симметричный
знакопеременный (без
статических составляющих), для реализации режима заданной
деформации образцы из разных резин изгибаются на одинаковый
угол, для испытания в режиме заданной нагрузки угол изгиба
образцов из разных резин рассчитывается по данным
динамических испытаний на приборе ДИЗПИ; то же делается и для
режима заданной энергии цикла.
На рис. 188 схематически показана одна из секций
высокопроизводительного стенда СЗПИ, сочетаемого, как правило, с
2. Опред. усталости, выносл., теплообр. и измен, свойств резин при утомл. 355
соответствующим прибором ДИЗПИ для определения упруго-
гистерезисных свойств при знакопеременном изгибе.
Для испытаний при повышенных температурах режим
работы термостата подбирают таким образом, чтобы получить
,7
Рис. 188. Схема отдельной секции стенда для
изучения утомления резины при знакопеременном изгибе:
/—ведущий вал; 2—ось контрпривода; 3, 5—зажимы; 4—образец;
6—свободная ось; 7—стойка; 8—сектор; 9—винт; 10—отверстия.
заданную температуру на поверхности образца. Измерение
температуры на поверхности образца методически более
правильно, так как разрушение главным образом начинается с
поверхности, где действуют максимальные напряжения. Для
измерения температуры каждая секция стенда снабжена переносной
термопарой (см. рис. 167,6).
Разработана15 методика подбора температуры испытания с
учетом гистерезисных свойств испытуемого материала.
Методика испытаний на стенде заключается в следующем.
Устанавливают один образец 4 в зажимах 3 и 5 при положении стойки 7
на секторе 8, соответствующем заданной деформации (при максимальных
значениях амплитуды деформации 30; 27,5; 25; 22,5; 20; 17,5; 15; 12,5 или 10%),
закрепляя стойку с помощью винтов с барашками 9 и шпилек, входящих в
отверстия 10 в секторах 8.
23*
356 Гл. V. Испытание резины на прочность в динамических условиях
Производят обогрев образив при заданной его деформации до достижения
в ием теплового равновесия (около 10 мин). Регулируя температуру
термостата и измеряя температуру образца переносной термопарой, добиваются
установления заданной температуры на поверхности образца. После
нахождения и установления необходимой температуры термостата начинают
испытание на всех образцах резины данной рецептуры в выбранных условиях.
В случае испытания образцов из наполненных резин следует учитывать,
что в них, особенно в первый период испытания, из-за изменения гистерези-
сных потерь происходят существенные изменения температуры.
Рис. 189. Прибор для многократного знакопеременного кручения:
/, 2 зажимы; 3, 10—рычаги; 4—стопорный винт; 5—микрометрический винт;
6—микрометр; 7—грузы; 8—опора; 5—пружина; 11—шток; 12—образец.
Рекомендуется предварительно (до испытания) «обкатывать» образцы при
частоте 16,7 гц A000 об/мин), а затем производить испытание при частоте 50 гц
C000 об/мин). Предварительная кратковременная обкатка мало влияет на
общую работоспособность образцов, однако значительно уменьшает колебания
температур.
Применяя испытания при знакопеременном симметричном
изгибе, можно характеризовать усталостные свойства резин
коэффициентом ?, показывающим сопротивляемость резины по-
вторности нагружения (см. стр. 327).
В связи с важностью нахождения подобного объективного
показателя, наиболее полно характеризующего усталостные
2. Опред. усталости, выносл., теплообр. и измен, свойств резин при утомл. 357
свойства резин, испытания на стенде СЗПИ в сочетании с
прибором ДИЗПИ должны получить широкое распространение.
Одновременно на СЗПИ испытывается не менее 6
образцов из резины одной рецептуры.
Испытания на сдвиг без разнашивания образцов можно
производить также методом знакопеременного симметричного
кручения.
Прибор для многократного кручения показан на рис. 189.
Схема образца в зажимах дана на
рис. 1906-50.
Крутящий момент передается образ-
ду 12 зажимом / (см. рис. 189),
который приводится в
возвратно-вращательное движение на углы от 40 до 65° от
мотора через ременную передачу, шатун-
но-кривошипный механизм и кулису,
сидящую на одном залу с зажимом /.
Зажим 2 во время испытания
неподвижен, но может перемещаться по
вертикали рычагом 3. Таким образом,
образцу задается статическая деформация
сжатия или растяжения. Величина ее
измеряется микрометром 6, а соответствую-
щая ей нагрузка - положением грузов 7
на рычаге о.
Если режим испытания — заданная
статическая нагрузка, рычаг свободен и ^?
НеПОСреДСТЗеННО ДеЙСТЪуеТ На Образец; /—длина, d—диаметр.
если же задана статическая деформация, по достижении
последней рычаг фиксируется стопорными винтами 4.
Для измерения силы закручивания имеется специальное
динамометрическое устройство, состоящее из пружины 9,
опирающейся своими концами на неподвижную опору 8 и рычаг 10,
и поджатую к ним микрометрическим винтом 5.
Рычаг 10 жестко скреплен со штоком //, на котором
сидит зажим 2. Шток // может совершать небольшие (до 1°)
повороты вокруг своей оси. При поворотах штока рычаг 10
колеблется. Колебания прекращаются, когда упругая реакция
поджатой пружины 9 уравновешивает силу закручивания
образца.
Крутящий момент Мкр. в образце определяется из
выражения:
раи3сца и тер^аанрьГв за^
жимах прибора для знако-
переменного кручения:
М =
358 Гл. V. Испытание резины на прочность в динамических условиях
где К — жесткость пружины;
а — прогиб пружины;
Ъ — расстояние от пружины до оси штока.
Деформация сдвига у в цилиндрическом образце на
радиальном расстоянии г от, его оси равна y — ralh, где h — высота
образца, а — угол закручивания.
Помимо усталостной работоспособности в различных
режимах утомления (задаваемых и регулируемых изменением
угла закручивания в ходе испытания), может вычисляться
динамический модуль G из выражения
G _ 27ИКР h
¦каг*
Как видно из рассмотрения конкретных приборов и
методов, все испытания на усталость являются специальными и, в.
лучшем случае, пригодны для сравнения выносливости резин
узкого назначения. Так, например, испытания на
многократный сдвиг41'42 применяются главным образом для оценки
шинных резин, а на многократный изгиб48 — для резин
подошвенных.
По существу, проблема моделирования в испытании
основных эксплуатационных режимов не решена удовлетворительно'
для большинства резиновых изделий. Кроме того, на этом
пути имеется опасность создания множества специализированных
приборов и методов.
В сзете такого положения наиболее разумным
представляется использование степенного закона усталостной
выносливости [см. уравнение B) на стр. 327], позволяющего при
симметричном цикле нагружения характеризовать усталостные
свойства коэффициентом ?. Последний дает представление о том,
в какой степени изменяется исходная прочность резины fz при
повторении нагружения.
Единственным общим для всех резин методом,
позволяющим произвести такую оценку, является в настоящее время
испытание на стенде, которое предлагается унифицировать51.
3. СПЕЦИАЛЬНЫЕ ВИДЫ ДИНАМИЧЕСКИХ ИСПЫТАНИЙ
НА СОПРОТИВЛЕНИЕ РЕЗИН ОБРАЗОВАНИЮ
И РАЗРАСТАНИЮ ТРЕЩИН
При эксплуатации резиновых изделий появление трещин не
всегда означает выход изделий из строя. Поэтому помимо
сопротивления образованию трещин важно характеризовать
сопротивление их разрастанию.
V. Спец. виды динамик, испыт. на сопротив. резин образов, и раз. трещинмЭ
-ф
п
1
Для большей точности последнего испытания часто
практикуется использование резиновых образцов с заранее
нанесенными повреждениями (надрезами, проколами).
Однако и в этих случаях, если вследствие анизотропии
структуры самой резины или из-за недостатков способа
нанесения надреза (прокола) происходит разветвление, т. е. нена-
правленнное разрастание «трещины» нельзя сколько-нибудь
достоверно определить степень ее разрастания. Тем больше эта
неопределенность при оценке разрастания естественно
возникшей трещины (на непроколотом образце). Вместе с тем,
наряду с методами испытания на сопротивление разрастанию
искусственных повреждений, широко
¦практикуются методы определения
естественному образованию и
разрастанию трещин, отличающиеся
от описанных в разделе 2
испытаний на усталостную выносливость
наличием в испытуемых образцах
участков концентрации
напряжений в виде выемок или канавок.
Существует большое число
методов -определения сопротивления
образованию и разрастанию
трещин18- 52.
Один из первых удовлетвори-
тельных методов оценки сопротив- рис 19L Установка об в с
ления резин образованию трещин и канавками и изгиб на машине
степени их естественного разрагта- типа Де-Маттиа (МРС-2).
ния, стандартизованный в США26,
Англией53, ФРГ54 и принятый в
качестве международного55, заключается в многократном изгибе
на машине типа Де-Маттиа образцов в виде прямоугольных
брусков длиной 150 мм, шириной 25 мм и толщиной 6,35 мм,
имеющих посредине прямую полуцилиндрическую канавку
радиусом 2,4 мм (см. рис. 193).
Образцы устанавливаются на машине при расстоянии
между зажимами 76 мм и изгибаются на 180° по месту
нахождения канавок при ходе ползуна в 57 мм (рис. 191).
Стандартизована частота 300 ± 10 изгибов в минуту.
Фирмой «Цвик» выпускается двухъярусная машина типа
Де-Маттиа, приспособленная для этого испытания и
отличающаяся бесшумностью работы и малым потреблением энергии.
На машине при изгибании образцов верхнего яруса
выпрямляются образцы нижнего яруса, и наоборот.
360
Гл. V. Испытание резины на прочность в динамических условиях
Поскольку наибольшая концентрация напряжений
получается в канавке образца на поверхности, трещины образуются
с поверхности. Поэтому важно вулканизовать образцы в вул-
канизационных формах из подходящего материала,
выдерживать образцы после вулканизации (рекомендуется не менее
24 ч) и по возможности защищать от действия света.
При испытании через определенные промежутки времени,
возрастающие в геометрической прогрессии, останавливают
машину, изучая степень растрескивания образцов и отмечая
число циклов, прошедших до достижения этой степени.
Характеристики степеней растрескивания даны в табл. 9:
Таблица 9
Характеристики степеней растрескивания по ИСО, рекомендация № 172
Степень
растрескивания
Характер растрескивания
А
В
D
Е
F*
G*
Н*
I*
К*
Несколько мелких поверхностных трещин (менее десяти), в
отдельных местах канавки. Трещины видны без лупы
Число трещин увеличивается, но они еще ие растут в глубину;
имеют тенденцию концентрироваться вокруг центральной
линии канавки на протяжении почти всей ширины образца
Трещины имеют небольшую глубину, их ширина примерно
равна длине
Некоторые трещины сливаются
Большинство трещин слилось. Обозначаются трещины длиной
1—2 мм, с отношением длина—ширина от 2 до 3
Несколько трещин в центре образца слилось в одну длинную
трещину
Длинная трещина продвигается к концам канавки
Все трещины слились в одну; границы отдельных трещин едва
различимы
Образовалась общая трещина, доходящая почти до конпов
канавки
Трещина распространилась по всей длине канавки (ширине
образца)
* Степени определяются довольно произвольно.
Существует два способа569 выражения результатов:
аналитический (в терминологии ИСО «логарифмический») и
графический. Они основаны на том, что в большинстве случаев
время достижения каждой последующей степени растрескивания
возрастает по экспоненциальному закону. Выражая число
килоциклов, прошедших до достижения заданной степени
растрескивания, через десятичный логарифм и принимая за основу
среднее число Lc, полученное для степени растрескивания С
3. Спец. виды динамик, испыт. на сопротив. резин образов, и раз. трещицло\
находят «константы» каждой степени К, вычитая из этого
числа Lc соответствующие средние логарифмы других степеней.
На большой серии резин различной рецептуры были
установлены средние значения «констант» К для каждой степени
растрескивания. Эти значения приняты в проекте рекомендации
ИСО55 и соответственно для степеней А, В, С, D и Е равны
+ 0,35; +0,15; 0,0; —0,14 и —0,24.
При испытании какой-либо одной резины пользуются этими
константами и производят обратное действие суммирования
логарифмов L(A.) фактически найденных чисел килоциклов с
соответствующими константами К. Среднее арифметическое из сумм
LiA...) + K есть логарифм числа килоциклов, необходимых для
достижения степени растрескивания С, или так называемое
сопротивление растрескиванию, полученное логарифмическим
методом.
Пример его вычисления дан в табл. 10.
Таблица 10
Вычисление сопротивления растрескиванию логарифмическим методом
Общее число
циклов
13 500
22 500
31500
40 500
49 500
58 500
67 500
85 500
с
Логарифм кило-
циклов V...)
1,13
1,35
1,50
1,61
1,70
1,77
1,83
1,93
іеднее значение
Степень
растрескивания
А
А
С
С
D
D
D
Е
сопротивления і
Константа
+0,35 '
+0,35
0,0
0,0
—0,14
—0,14
—0,14
—0,24
)астрескиванию
Сопротивление
растрескиванию
1,48
1,70
1,50
1,61
1,56
1,63
1,69
1,69
1,61
Пользуясь графическим методом, в логарифмических
шкалах откладывают по оси абсцисс килоциклы, соответствующие
достижению заданной степени растрескивания, от А до Е, для
одной конкретной резины, а на оси ординат — усредненные
результаты А, В, С, D, Е по всей серии испытанных резин
различной рецептуры. Через последние точки проводят пять линий,
параллельных оси абсцисс. Обычно для каждой из резин
получается зависимость, близкая к линейной и имеющая свой угол
наклона, как это видно из рис. 192.
Из графиков находят: а) сопротивление образованию
трещин как число килоциклов, необходимое до достижения степени
растрескивания А; б) сопротивление растрескиванию как число
362 Гл. V. Испытание резины на прочность в динамических условиях
килоциклов, пройденное образцами от степени растрескивания
.4 до степени растрескивания Е.
Оценка степени растрескивания является весьма условной
и недостаточно точной операцией*. Трещины растут не только
по поверхности, но и вглубь, а также могут разветвляться.
Рядом работ показаны закономерности роста трещин, зависящие
от степени концентрации напряжений, в частности
обусловленной начальными размерами трещин и их направлением602.
Д В С В Є
Логарінрм кшоцимоЗ
Рис. 192. Иллюстрация к графическому методу
определения сопротивления растрескиванию:
А, В, С, D, ?—степени растрескивания эталонной
резины; А , В , С , D , Е—средние результаты по степеням
растрескивания испытуемой резины; \а , 1в , \с , _ld,
1 е —степени растрескивания резины 1; 2а . 2в , 2с,
2d , 2е~— степени растрескивания резины 2.
Некоторые резины63 при испытании на растрескивание
методом многократного изгиба дают огромный разброс показателей,
неприемлемый для практической реализации этого испытания:
на одних образцах из резины данной рецептуры трещины могут
образоваться в течение Нескольких часов, а на других образцах
из той же резины — за несколько дней, недель и даже месяцев.
Более точные результаты дает испытание на сопротивление
разрастанию трещин, нанесенных искусственно в виде
надрезов или проколов. При этом результаты существенно зависят60
от начальных размеров искусственной трещины (надреза), хотя
в серии опытов с различными длинами и глубинами начальных
* Приведенная в табл. 9 характеристика степеней растрескивания
пригодна главным образом для резин на основе НК и может не наблюдаться для
резин из синтетнческих каучуков.
3. Спец. виды динамич. испыт. на сопротив. резин образов, и раз. трещинЗбЗ
нздрезов можно выявить некоторую характерную для данного
вида деформации и изучаемой резины «предельную кривую»
разрастания, выражающую соотношение длины и глубины
растущей трещины, к которому стремятся соответствующие кривые,
полученные при разных начальных размерах трещин.
Не менее существенна зависимость результатов от формы и
направленности начального повреждения. Так, первоначально
применявшееся прокалывание образцов с прямой канавкой
6
г,оз*ё$ в
Рис. 193. К методу многократного изгиба образцов с
прямыми канавками и проколом:
а—размеры образцов; б—размеры выступа в гнезде вулканизационной
формы, образующего канавку на образце; в—размеры копья для нанесения
прокола в канавке образца.
(рис. 193), производившееся63'64 в центре канавки круглой
иглой диаметром 1 мм, не всегда обеспечивало разрастание
прокола вдоль канавки при многократном изгибе этих образцов.
Это приводило к значительному разбросу показателей. По
последним стандартам657, применяется направленный сквозной
прокол с помощью «копья», изображенного на рис. 193.
Приспособления для центрированного нанесения прокола
показаны на рис. 194 и 195. Для прокола «копьем» по ASTM65
применяется приспособление, изображенное на рис. 194.
Образец слегка сжимается между двумя горизонтальными
планками 1 путем вращения головки 3 стержня 4, имеющего
на верхней части левую, а на нижней — правую резьбу,
входящую в нарезные отверстия сухарей 8. Каждый из последних
364 Гл. V. Испытание резины на прочность в динамических условиях
наглухо соединен с соответствующей зажимной планкой /
посредством двух перемычек, скользящих в направляющих шли-
9 Ш
Рис. 194. Приспособление для центрированного нанесения
прокола:
1—планки; 2—упор; 3—головка; 4—стержень; 5—шлицы; ff—отверстие; 7—
риски; 8—сухари; 5—болты; 10—штифты.
цах 5 стойки зажима и обеспечивающих горизонтальное
положение обеих планок. При вращении стержня, благодаря
двойной резьбе на нем, планки
перемещаются— одна вверх, а
другая вниз, симметрично
относительно горизонтальной оси
образца, высота которой над столом
не меняется. Посредине планок
сделаны риски 7 для установки
по ним средней линии образца.
Стойка зажима имеет небольшое
отверстие 6 для прохода иглы
при прокалывании образца и
улор 2 для обеспечения
постоянства глубины прохождения иглы.
Зажим фиксируется на столе
станка штифтами 10 и крепнгся
болтами 9.
Игла находится в держателе,
а хвостовик ее закреплен в
массивном цилиндре, который может вращаться в обойме
держателя и двигаться вдоль своей горизонтальной оси.
Образец прокалывают после установки уровня иглы по
вертикали и хода по горизонтали.
Рис. 195. Приспособление
НИИШП для нанесения
прокола:
I—игла; 2—плита; 3,
5—направляющие; 4—прижимная лапка; ff—упор;
7—направляющая втулка; 8—стойка;
5—шток; 10—рукоятка.
3. Спец. виды динамич. испыт. на сопротив. резин образов, и раз. трещинШЪ
В приспособлении НИИШП (см. рис. 195) игла / жестко
связана со штоком 9, который может перемещаться
вертикально в направляющей втулке 7, закрепленной на стойке 8. Шток 9
приводится в движение при помощи рукоятки 10. Для
правильной центровки образца служит упор 6 и направляющие 5 и 3,
закрепленные на плите 2 приспособления, а также прижимная
лапка 4, связанная со штоком 9.
Вид Вид
спереди сбоку
2 Ножка
микрометра.
4
Рис. 196. Микрометр для замера глубины подка-
иавочного слоя полуцилиндрической канавки:
1—ножка; 2—образец; 3—основание; 4—направляющие;
5—стрелка; 6—шкала,
В исходном положении игла / находится заподлицо с
лапкой 4, оканчивающейся валиком полуцилиндрической формы.
При нажиме на рукоятку .10 шток 9 опускается вместе с лапкой
4 и иглой, пока цилиндрический валик лапки 4 не войдет в
канавку образца. Дальнейшее движение лапки 4 ограничено
направляющей 3, в которую лапка 4 упирается своими
заплечиками. При нажиме на рукоятку до отказа игла выступает за
край лапки 4 и прокалывает образец насквозь. Для того,
чтобы игла не тупилась, в плите приспособления непосредственно
под иглой имеется сквозное отверстие. Хотя приспособление,
изображенное на рис. 194, обеспечивает более точное нанесение
центрированного прокола, однако на приспособлении НИИШП
наносить прокол легче и приспособление более надежно в
работе. Применяется специальное приспособление для
одновременной установки нескольких образцов на машине МРС-2;
оно обеспечивает одинаковое расстояние канавки от верхнего
и нижнего зажимов. С ним манипулируют аналогично тому,
как с описанным ранее приспособлением для установки
образцов при испытании на многократное растяжение.
На рис. 196 дано устройство микрометра НИИШП для
замера глубины подканавочного слоя. Замер необходимо произ-
366 Гл. V. Испытание резины на прочность в динамических условиях
водить для отбора образцов нужных размеров, поскольку даже
при соблюдении прямоугольной формы и определенных
размеров заготовок невулканизованной смеси и при строгом
соблюдении размеров вулканизационной формы некоторые резины
вследствие плохой или чрезмерной растекаемости, а также
вследствие (малого или большого индукционного периода при
вулканизации дают соответственно завышенные или заниженные
толщины. Проверяя образцы после вулканизации,
экспериментальным путем подбирают для каждого типа резиновой смеси
толщины заготовок, при которых вулканизованный образец
будет удовлетворителен по толщине и по глубине подканазочно-
го слоя. Толщина образца измеряется обычным микрометром с
точностью до 0,01 мм в трех местах по обе стороны канавки.
При замере глубины подканавочного слоя образец 2 укладывается на
нижней площадке основания 3 микрометра, большой осью параллельно
направляющим 4, сначала вплотную к правой направляющей, причем ножка /
микрометра входит в канавку с левого края и на шкале 6 микрометра стрелка 5
показывает толщину с точностью до 0,01 мм. Затем таким же образом, прижимая
образец к левой направляющей, измеряют толщину подканавочного слоя в
правой крайней точке. За показание принимают среднее из Двух минимальных*
значений, полученных слева и справа.
По рекомендации ИСО66, после начала испытания машина
останавливается через 1, 3 и 5 килоциклов и далее в периоды,
задаваемые в зависимости от типа испытуемой резины. При
остановке с помощью микроскопа при небольшом увеличении
(¦—' 1 : 10) измеряется длина разрастающегося прокола. При
измерении зажимы должны находиться на расстоянии 65 мм друг
от друга, т. е. образцы должны быть изогнуты в определенной
степени.
Результаты характеризуются числом килоциклов,
необходимых для увеличения длины прокола: а) от 2 до 4 мм; б) от 4 до
8 мм и в) от 8 до 12 мм.
По стандарту США69 принимается испытание на флексинг-машине Росса
(рис. 197).
Проколотые образцы 1 изгибаются вокруг стержня 5 на угол 90° (как
показано пунктиром). Диаметр стержня равен 9,5 мм. Один конец образца
неподвижно зажат в держателе 2, 3, а другой пропущен между двумя роликами—
передвижным 5 и фиксированным 7. Число изгибов в минуту составляет 100±5.
Изгиб осуществляется путем смещения держателя 2, производимого через
передачу от мотора.
Результаты испытания выражаются числами циклов, необходимых для
увеличения первоначальной длины трещины на каждые 100% вплоть до 500%.
Предложена70 флексинг-машина для исследования
сопротивления разрастанию трещин при двумерном растяжении тонких
* Минимальное значение отвечает правильному положению ножки
микрометра в каиавке.
3. Спец. виды динамич. испит, на сопротив. резин обрцзов. и раз. трещин 367
пластин. Существует мнение, что на этой машине лучше всего
воспроизводятся деформации, возникающие в шинах. Машина
позволяет осуществлять растяжение с контролируемыми
амплитудой и фазой деформации. Две пары зажимов (А—А и В—В)
расположены в одной плоскости перпендикулярно друг к
другу, как показано на рис. 198. Они приводятся в движение с
помощью толкателей, связанных с кулачками; последние
находятся в главном вертикальном приводе. Кулачки выбраны
такими, что максимальные деформации, осуществляемые при рас-
8
В
Рис. 197. Схема флексинг-машикы Рнс. 198. Схема двумерного растяже-
Росса: ния на машине Гемана и Клиффорда.
1—образец (пунктиром при изгибе); 2,
3—держатель; 4—проколотый участок образца; 5—
передвижной ролик; 6, 7—фиксированные
ролики; 8—стержень.
хождении зажимов, могут не совпадать по фазе в двух
взаимно перпендикулярных направлениях. Амплитуду каждой пары
зажимов можно изменять путем смены кулачков. Растяжение
резины зависит также от размеров образца.
Испытания производят с частотой 240 циклов в минуту. По
разным сторонам образца расположены осветители и
фотоэлемент. Когда образец разрушается, свет проходит сквозь
разрушенный участок и попадает на фотоэлемент. Сигнал От него
передается на реле, и машина останавливается.
В описанных испытаниях можно определить только
сопротивление разрастанию трещин в виде искусственно нанесенных
повреждений. Результаты являются весьма условными,
поскольку, как уже указывалось, существенно зависят от типа
деформации образца, формы и размеров иглы (копья). Выдерживать
форму и размеры копья чрезвычайно трудно. Копье быстро
затупляется и изнашивается, отчего меняются результаты
испытания. Наносить сквозные проколы нецелесообразно еще и
потому, что важнее наблюдать рост трещин не только по длине,
но и по глубине. Показано63, что естественный рост трещин ха-
368 Гл. V. Испытание резаны на прочность в динамических условиях
62
рактеризуется «предельной кривой», т. е. соотношением
глубины и длины растущей трещины, к которому стремятся все
кривые, полученные при росте надрезов различных начальных длин
и глубин.
Естественное возникновение трещин без существенного
разброса по времени их образования получается на образцах
зигзагообразными канавками, предложенных Керном
(рис. 199). Испытание на этих образцах стандартизовано в
СССР71. Трещины образуются
в углах канавки, в местах
наибольшей концентрации
напряжений (рис. 200).
Испытание образцов с
зигзагообразными канавками
производится на машине МРС-2
при тех же условиях, что и об- fi—
разцов с прямыми канавками.
г—ьо-
150
J
1±
ь
Рис. 199. Образцы с
зигзагообразными канавками (по ГОСТ 9983—62).
Рис. 200. Деталь вулканизационной
формы (выступ в гнезде для
образца), обеспечивающая стандартные
размеры зигзагообразной канавки.
Поскольку можно четко отметить время образования
видимой на глаз трещины, на образцах определяется сопротивление
образованию трещин как число килоциклов, прошедших с
начала испытания до момента образования первой трещины.
Начиная с этого момента, отсчитывают время t, а следовательно, и
число килоциклов N=nt [здесь «=0,250 килоциклов в минуту
(частота деформации на машине МРС-2), необходимых для
достижения определенной величины общей площади трещин,
включая площадь всех трещин, образовавшихся в канавке]*.
* Может быть задано время испытания после образования первой трещины
и соответственно отсчитана площадь образовавшихся и разросшихся за это
время трещин.
Литература 369
Обычно на предельно изогнутом образце (под углом 180°,
при расстоянии между зажимами 19 мм) трещины имеют
форму, близкую к эллиптической. Достаточно измерить оси
эллипсов—/ и Ь, чтобы рассчитать площадь каждого из них-^- ъ1Ь
и их суммарную площадь.
Обычно производят испытание, не доводя до слияния
трещин, когда общая площадь трещин на образце не превышает
50 мм2.
Естественно, что площади зависят не только от длины, но и
от глубины трещины. Таким образом, косвенно оценивается
рост трещин в разных направлениях.
Для установки образцов в машине служит приспособление,
аналогичное показанному на рис. 178, а на образцах имеется
соответствующая неглубокая установочная канавка длиной
25 мм, шириной 2 .им и глубиной 1 мм.
Преимущества испытания на образцах с зигзагообразными
канавками заключаются в следующем.
Для испытания нет необходимости в нанесении специальных
проколов или надрезов. Наряду с показателем сопротивления
разрастанию трещин получается показатель сопротивления
образованию трещин. Вследствие локальной концентрации
напряжений в углах зигзагообразной канавки места образования
трещин вполне определенны, трещины возникают и разрастаются
быстрее, чем в испытании образцов с прямыми канавками, при
этом получается существенно меньший разброс показателей, что
позволяет резко сэкономить время испытания, получая
одновременно более точные результаты. Характер концентрации на-
лряжений приближается к практически наблюдаемым случаям
(например, растрескивания протекторных резин в рисунке
протектора).
Оценка роста трещин производится не по длине, а по
площади, что косвенно характеризует рост трещин как по длине,
так и по глубине.
ЛИТЕРАТУРА
1. Г. М. Бартенев, Ф. А. Г а л и л-О г л ы, ДАН СССР, 100, 477
A952); Д. Айзенберг, Е. Фаленберг, Ж- резин, пром.,
№ 12, 1273 A936).
2. М. М. Резниковский, Каучук и резина, № 9, 33 A960).
3. Усталость высокополимеров, сборник статей, Госхимиздат, 1957.
4. S. М. С a d w е 1 1 а. oth., Ind. Eng. Chem., Anal. Ed., 12, 19 A940).
5. A. Springer, Kautschuk, 19, 55 A943); Rubb. Chem. Technol., 18,
7 A945).
6.M. К. Хромов, Л. С. П р и с с, М. М. Резниковский
б сб. «Фнзико-механнческие испытания каучука и резины»,
Госхимиздат, 1960, стр. 12 (Труды НИИШП, сб. 7).
24—2406
370 Гл. V. Испытание резины на прочность в динамических условиях
7. М. М. Резниковский, Л. С. Присс, М. К. Хромов,
Коллоид, ж., 21, 458 A959).
8.М. М. Резниковский, Л. С. Присс, М. К. Хромов,
Коллоид, ж., 20, 368 A958).
9. А. С. Кузьминский, в сб. «Старение и утомление каучуков и
резин и повышение их стойкости», Госхимиздат, 1955, стр. 3.
10. Г. Л. Слонимский, Е. В. Резцов а и др., ДАН СССР, 93,
523 A953).
П. В. А. Картин, Г. Л. Слонимский, ДАН СССР, 105, 751 A955)
12. Б. А. Д о г а д к и н, З- Н. Тарасова, ДАН СССР, 85, 1019 A952);
Коллоид, ж., 5, 347 A953); А. С. Кузьминский, Л. И. Л ю б-
ч а н с к а я, ДАН СССР, 93, 519 A953).
13.М. М. Резниковский, Е. Г. В о с т р о к н у т о в, Л. С.
Присс, в сб. «Старение н утомление каучуков и резин и повышение
их стойкости», Госхимиздат, 1955, стр. 76.
14. М. М. Резниковский, Хим. наука и пром., 4, 87 A959).
15. М. М. Резниковский, Л. С. Присс, М. К- Хромов,
Е. Г. Вострокнутов, Труды НИИШП, сб. 4, Госхимиздат,
1957, стр. 5.
16. А. И. Л у к о м с к а я, М. М. Резниковский, Труды НИИШП,
сб. 4, Госхимиздат, 1957, стр. 36.
17. Г. Ш. И з р а е л и т, Механические испытания резины и каучука,
гл. VII, Госхимиздат, 1949.
18. J. М. В и і s t, G. E. Williams, India Rubb. World, 124, 390;
447; 567 A951).
19. J. H. Dillon, S. D. Geh man, India Rubb. World., 115, 61, 76;
217 A946); Rubb. Chem. Technol., 20, 827 A947).
20. R. F. S h a w, India Rubb. World, 118, 796 A948).
21. E. T. Rainer, R. H. G e r k e, Ind. Eng. Chem., Anal. Ed., 7, 368
A935).
22. ГОСТ 261—53. Испытание резин на многократное растяжение.
23. ГОСТ 257-—41. Испытание резины на многократное растяжение на
вибраторе Шоппера.
24. ГОСТ 261—41. Испытание резины на многократное растяжение на
машине Де-Маттиа.
25. L. V. Cooper, Ind. Eng. Chem., Anal. Ed., 2, 391 A930).
26. ASTM D430-—57T. Tentative Methods of dynamic testing for ply separation
and cracking of rubber products (Method B. De Mattia Flexing Machine).
27. ASTM D813—57T. Tentative Method of Test for resistance of vulcanized
rubber or synthetic elastomes to crack growth.
28. В. Г. Э п ш T e й и, Материалы научно-технической конференции по
усовершенствованию и стандартизации методов физико-механических
исследований и испытаний каучука и резины, Госхимиздат, 1951, стр. 66.
29. А. В. D. С a s s і е, М. Jones, W. J. S. Naunton, Trans. 1R1,
19, 49, A936); Rubb. Chem. Technol., 10, 29 A937).
30. ГОСТ 266—53. Испытание резины на многократное сжатие.
31. М. М. Резниковский, М. К- Хромов, Г. Ф. Панин,
Каучук и резина, № 3, 27 A958).
32. Е. Т. L e s s і g, Ind. Eng. Chem., Anal. Ed., 9, 582 A937).
33. Rubb. World, 135, 768 A957).
34. ASTM D623—52T. Tentative Methods of Test for compression fatigue of
vulcanized rubber.
35. S. D. Geh man, P. J. Jones, D. E. W о о d f о г d, Ind. Eng.
Chem., 35, 964 A943).
36. V. E. G о u g h, D. Parkinson, Trans. IR1, 17, 168 A941).
37. Gummi u. Asbest, 8, № 10, 538 A955).
Литература 371
38. A. Martens, Sitzber. Konigl. Preuss. Akad. Wiss., 14, 3'46 A911).
39|K. Memmler, A. Schob, Material prufungsamt Berlin—Dahlem,
30, 139 A912).
40. ГОСТ 256—41. Испытание резины на износ по методу Мартенса-Шоба.
41 М. А. Ц ы д з и к, А. А. Раппопорт, Каучук и резина, № 12,
20 A940).
42. ГОСТ 9981—62. Резина. Метод испытания модельных образцов и образцов
из шин на многократный сдвиг.
43. R. S. Н а v e n h і 1 1, W. В. Mac Bride, Ind. Eng. Chem., Anal.
Ed., 7, 60 A935).
44. R. S. H a v e n h і 1 1, Physics, 7, 179 A936).
45. L. V. Cooper, Ind. Eng. Chem., Anal. Ed., 2, 391 A930); 5, 350 A933).
46. H. R о e 1 і g, G. F г о m a n d i, Kautschuk u. Gummi, 5, WT 157
A952); Rubb. Chem. Technol., 28, 1044 A955).
47. P. M. T о r r a n с e, L. С Peterson, India Rubb. World, 80, 62
A929).
48. ГОСТ 422—41. Испытание резины на многократный изгиб на машине типа
Торренса.
49. Г. Ш. Израелит, Механические испытания резины и каучука, гл.
VII, Госхимиздат, 1949, стр. 299.
50. М. К- Хромов, Каучук и резина, № 8, 24 A961).
51. В. В. Ильин, А. И. Л у к о м с к а я, М. М. Р є з н и к о в с к и и,
Стандартизация, № 8, 31 A963); ГОСТ 10952—64.
52. W. L. Holt, Е. О. Knox, Rubb. Age (New York), 60, 689 A947).
53. British Standards Institution, В. S. 903, 1950, p. 164, Part 26.
54. D1N53522. Dauerknickversuch A) Bestimmung der Biegeri'jbildung (f!ex
cracking); Gummi u. Asbest, 11, 32, № 3, 151 A958).
55. ISO/TC 45 (Secretariat—216), 325, 3 May, 1957. Draft ISO recommendation
№ 172. Determination of resistance to flex cracking of vulcanized natural
of synthetic rubber (De Mattia Machine).
56. R. G. Newton, Trans. IRI, 15, 172 A939); Rubb. Chem. Technol.,
13, 694 A940); J. Rubb. Res., 25, 29 A947).
57. W. L. Stewens, India Rubb. World, 102, 36 A940); Rubb. Chem.
Technol., 15, 159 A942).
58. R. F. Blackwell, Rubb. J., 129, 260 A955).
-59. J. M. Buist, G. E. Williams, Trans. IRI, 27, 209 A951); J. M.
В u і s t, Trans. IRI, 29, 72 A953).
60. R. Kaiser, Kautschuk u. Gummi, 8, WT145 A955).
61. E. A. H a m p e, Zum Ri?wachstum der gefullten Hochpolymeren,
Deutsche Kautschuk Gesellschaft, Vortragstagung, 7 bis 9 Juni, in Hamburg,
1956.
62. W. Kern, Kautschuk u. Gummi, 8, 195 A955).
63. А. И. Лукомская, Каучук и резнна, №11,4 A957).
64. J. M. Buist, E. E. Powell, Trans. IRI, 27, 49 A951).
65. ASTM D 813—57T. Tentative Method of Test for resistance of vulcanized
rubber or synthetic elastomers to crack growth.
€6. ISO/TC 45 (Secretariat—217), 326, 3 May, 1957. Draft ISO recommendation
№ 173. Determination of resistance to crack growth of vulcanized natural
or synthetic rubber (De Mattia Machine).
67, DIN 53522. Dauerknickversuch. B) Bestimmung des Ri?wachstums (cut
growth); Gummi u. Asbest, 11, 32; 151 A958).
€8. R. F. В lack well, India Rubb. World, 127, 1142 A954).
69. ASTM D1052—55. Standard Method of Test for resistance of vulcanized
rubber or synthetic elastomers to cut growth by the use of the Ross flexing
machine.
70. S. D. Gehman, R. P. Clifford, Rubb. World, 130, 661 A954);
372 Гл. V. Испытание резины на прочность в динамических условиях
131, № з, 365 A954); Gummi u. Asbest, 8, 178 A955); Rubb. Age, 75, 696
A954); S. D. G e h m a n, С. S. Wilkinson, Kautschuk u. Gummi,
11, WT215 A958); S. D. G e h m a n, P. R о h a 1 1, D. I. L і n v і n g-
s t о n, Rubb. Chem. Technol., 34, 506 A961).
71. ГОСТ 9983—62. Резина. Определение сопротивления образованию и
разрастанию трещин при многократном изгибе.
Глава VI
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПРОЧНОСТИ СВЯЗИ МЕЖДУ РЕЗИНОЙ
И РЕЗИНОЙ, РЕЗИНОЙ И ДРУГИМИ МАТЕРИАЛАМИ
В СТАТИЧЕСКИХ И ДИНАМИЧЕСКИХ УСЛОВИЯХ
1. ОСНОВНЫЕ ОСОБЕННОСТИ МНОГОСЛОЙНЫХ СИСТЕМ
И ОБЩИЕ ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ МЕТОДОВ ОПРЕДЕЛЕНИЯ
ПРОЧНОСТИ СВЯЗИ
Отличительной особенностью многослойных систем является
наличие в них стыков разнородных материалов.
Условия сборки и вулканизации (контактное давление и-
время контакта дублируемых слоев, состояние контактируемых
поверхностей, наличие клеевых прослоек, температура и т. п.)
играют существенную роль при формировании связи между
элементами многослойной системы1. Решающее значение для
характера образуемого стыка имеет, однако, природа
соединяемых материалов. После сборки и вулканизации между слоями
резины и других материалов обычно сохраняется граница
раздела, а между двумя резинами может образоваться
переходный граничный слой.
Механические свойства граничного слоя иногда резко
отличаются от свойств резин, образующих этот слой. Так, по
мере утомления сопротивление раздиру одной из резин может
практически не изменяться, а другой— падать; в то же время
сопротивление раздиру граничного слоя, который в первом
приближении моделируется смесью резин, лежащих по обе
стороны слоя, может резко возрастать4.
Наряду с этим граничный слой обнаруживает ряд общик
закономерностей механических свойств, присущих
цельнорезиновым системам4. Например, если выбрать условия испытания,
при которых разрушение многослойной системы происходит по
стыкам, т. е определяется собственно прочность связи, то
статическая прочность связи возрастает с увеличением гистерезис-
ных потерь резины, моделирующей граничный слой,
аналогично тому, как возрастает характеристическая энергия раздира
и прочность резин7, определенные в статических условиях.
Динамическая же прочность связи проявляет обратную тенден-
•374 Гл. VI Определ. прочности связи резин в статич. и динамич. условиях
цию падения с повышением гистерезиса стыка, что
согласуется с изменением усталостной динамической прочности
(выносливости) резин8, рассмотренных в разделе 1 главы V. То же
касается практической независимости от частоты нагруженпя
усталостной динамической выносливости стыка, обнаруженной,
как и для резин, в условиях постоянства температуры образцов
примерно для того же диапазона от 4 до 30—50 гц.
Во всех случаях на стыке, особенно при связывании плохо
совместимых элементов системы, имеет место распределение
дополнительных дефектов (микротрещин). Следствием этого
является статистический характер прочности связи, разброс
показателей и сильная зависимость их от размеров стыка
многослойной системы.
Важнейшей из установленных закономерностей является
степенной закон динамической выносливости стыка, который
для режима заданной динамической нагрузки может быть
записан в виде:
Naf _ / fob
Nbf. \ foa
где \'af и Ай/ — выносливости при соответствующих
амплитудных значениях напряжении на стыках foa и /,,ь;
З? — коэффициент сопротивляемости повторносте
нагружения в режиме заданной динамической
нагрузки. Аналогично для режима заданного
динамического смещения:
"a* t'ob\h
~W~ = '¦ Ті W
"be \ ьоа І
где Nm и Nьг — выносливости при соответствующих
амплитудных значениях деформаций на стыках гоа и еоь;
8е—коэффициент сопротивляемости повторносте
нагружения в режиме заданного
динамического смещения.
Очевидна тождественность с динамической выносливостью
резин, рассмотренной в разделе 1 главы V.
В общем случае нелинейной зависимости между
напряжением и деформацией на стыке коэффициенты ?/ и ?s
оказываются неодинаковыми.
Качественно установленные закономерности показывают, что
выносливость стыка при многократных деформациях в
заданном режиме испытания существенно изменяется в зависимости
/. Основные особенности многослойных систем 375-
от жесткости режима (величины задаваемых параметров єо или
fo). У одних систем эта зависимость менее резко выражена,
чем у других (чем больше коэффициент ?, тем медленнее
изменение ./V как функции є0 или fo). Поэтому может оказаться.
что системы, характеризуемые как более выносливые в жестких
условиях (при больших амплитудах напряжений fo или
деформаций єо), окажутся сравнительно менее выносливыми в
мягких условиях (при малых амплитудах є0 или fo). Кроме того,
величины ? зависят от режима. Таким образом, наряду с общим
характером режима испытания следует выбирать условия
испытания по величине задаваемых параметров (деформации,
напряжения или энергия); то же касается температуры, среды
и т. п.
Когда речь идет о параметрах режима, имеются в виду
напряжения и деформации, возникающие на стыках. При одних
и тех же типах и величинах деформации испытуемого образца
в целом, в зависимости от его конструкции
(взаиморасположения и ориентировки в нем слоев) на стыках могут возникать
различные деформации и напряжения.
Анализом установлено4, что при многократном сдвиге,
обычно сочетаемом со статическим сжатием, которое необходимо
для крепления образца в приборе, наибольшие разрушающие
напряжения возникают на стыках (а следовательно,
обеспечено разрушение в первую очередь стыка), когда стыки
расположены перпендикулярно направлению сдвига. При сжатии то же
обеспечивается при углах, образуемых стыками с
направлением сжатия менее 45°.
Таким образом, результаты испытаний существенно зависят
от режима испытания и от выбора конструкции образца.
Что касается распределения показателей испытания, то
динамическим испытаниям на прочность связи присущ большой
разброс. Разброс показателей испытания существенно зависит
не только от испытываемых материалов, но и от условий
испытания2: чем более жестки условия испытания и меньше время
до разрушения образца, тем меньше разброс показателей
(табл. ИJ.
Факт увеличения разброса показателей, наблюдаемого при
смягчении условий испытания (а следовательно, увеличении
времени испытания), указывает на развитие химических
факторов утомления. Если бы прочность связи зависела только от
дефектов структуры исходного материала стыка,
неоднородность структуры, определяемая по разбросу показателей,
проявлялась бы в одинаковой степени как при малом, так и;
при большом времени испытания (в жестких и мягких
условиях).
376 Гл. VI. Определ. прочности связи резин в статич. и динамич. условиях
Таблица 11
Влияние условий испытания на разброс показателей
при испытании цилиндрических образцов
с перпендикулярным стыком на многократный сдвиг
при статическом сжатии
Начальная
статическая
нагрузка
кгс/см?
10
15
20
20
Начальная
амплитуда
сдвига
мм
6
6
4
6
Время
до разрушения
образцов
(d = 18 мм,
h = 12 мм)
мин
19,1
14,0
40,0
12,5
Число
образцов,
необходимое
для испытания
с точностью
±20%
21
16
55
13
В свете вышеприведенных данных о влиянии условий
испытания на качественную характеристику систем, очевидно, что
ужесточение условий не может явиться единственным
способом, которым можно пользоваться при получении более
точных результатов.
Специфическим для испытания на прочность связи является
стремление оценить сцепление материалов на самой границе или
прочность в поверхностном слое. Вследствие этого одно из
основных требований, предъявляемых к методам определения
прочности связи4, заключается в выборе такой конструкции
образца, в которой стык дублированных материалов находился бы
в наиболее напряженном состоянии, т. е. разрушался бы в
первую очередь*. Следующее требование касается выбора
условий испытания в соответствии с работой стыка в изделии (а не
изделия в целом!).
При реализации конкретных испытаний следует производить
анализ напряжений, возникающих на стыках при заданных
условиях деформации образца в целом. Если анализ сложен, его
проводят с упрощающими допущениями.
* Необходимо, однако, отметить, что в ряде случаев, особенно когда
образуется переходной слой, понятие разрушения по стыку становится весьма
неопределенным.
Кроме того, очевидно, что одна количественная характеристика прочности
при этом недостаточна. Указывая численный результат испытания, необходимо
также отмечать характер разрушения переходного слоя, а именно: разрушился
•ли один из связанных материалов вблизи границы переходного слоя или
переходной слой; видны ли следы границы; какой вид имела поверхность разру-
-шения; какие материалы на ней преобладали.
2. Статические методы определения прочности связи резины 2ІЛ
Если при динамических испытаниях не удается добиться
разрушения стыка (т. е. определить собственно прочность
связи), целесообразно утомлять образцы в условиях, отвечающих
эксплуатационным, а определять изменение прочности связи
каким-либо статическим методом, обеспечивающим
непосредственное измерение усилий, разрушающих стык.
В свете изложенного динамические методы определения
прочности связи в ближайшее время должны получить основное
распространение. Что касается статических методов, то
ценность их заключается в следующем.
Прежде всего статические методы позволяют найти
прочность связи исходных, неутомленных конструкций. Это дает
возможность судить о различных способах изготовления
многослойных изделий и образцов. Кроме того, чем выше исходная
прочность связи в системе, тем, при прочих равных условиях (в
частности, одинаковой утомляемости материалов и подобных
режимах эксплуатации), выше динамическая прочность связи.
Далее, статические методы необходимы, если режим
динамического испытания не обеспечивает разрушения образца по
стыку.
В отдельных случаях (система из материалов с одинаковой,
утомляемостью; система, работающая в статических условиях
и пр.) статическая прочность связи, особенно при повышенных
температурах, характеризует непосредственно
эксплуатационные качества системы.
Наконец, статические испытания применяются для разного
рода исследовательских целей (изучения механизма действия
различных добавок, клеев и т. п.) в качестве общих методов,,
непосредственно характеризующих прочность связи такими
показателями, как удельная адгезия или работа образования
единицы новой поверхности при разделении двух сцепленных
(сдублированных, стыкованных) материалов.
2. СТАТИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПРОЧНОСТИ
СВЯЗИ РЕЗИНЫ С РЕЗИНОЙ, РЕЗИНЫ С ПРОРЕЗИНЕННОЙ
ТКАНЬЮ, РЕЗИНЫ С КОРДОМ, РЕЗИНЫ С ЭБОНИТОМ
И МЕТАЛЛОМ
Определение прочности связи резины с резиной и резины
с прорезиненной тканью
Стандартные методы определения прочности связи между
слоями9'10 заключаются в измерении средней величины
нагрузки Рср, вызывающей расслоение двух прилегающих слоев
испытываемого образца заданной ширины с примерной скоростью
100 мм/мин. Образцы имеют форму прямоугольных полосок ши-
378 Гл: Vf. Определ. прочности связи резин в статич. и динамич. условиях
риной 25 мм, по ГОСТ 6768—539, или 10±0,5 мм, по ГОСТ
264—5310, длиной не менее 100 мм и составлены из слоев
различных резин, прорезиненных тканей и других материалов. Образцы
либо вырезаются из готовых изделий*, либо специально
собираются из каландрованных заготовок сырых смесей и других
дублируемых между собой слоев и вулканизуются по заданной
технологии. Чтобы исключить растяжение резины при
расслоении даже в случае отслаивания резины от резины, образцы
подготавливают так, чтобы с двух сторон были привулканизованы
слои ткани. При этом направление основы ткани и
направление каландрования должны совпадать между собой и с
длинной осью образца.
При отсутствии жесткой тканевой подложки работа
растяжения может превалировать над работой расслоения; результат
испытания будет выражать комплексное свойство и может даже
в основном характеризовать деформируемость резин, а не
прочность их связи. Конец образца предварительно расслаивают на
30—50 мм по длине для закрепления его в зажимах и задания
направления расслоения.
Испытания производят на разрывной9 или на гисте-
резисиой10 машинах при скорости движения подвижного
зажима 200±20 мм/мин, регистрируя нагрузку либо с помощью са-
мопищущего прибора, либо непосредственно записывая не
менее пяти пар максимальных и минимальных показаний
нагрузки по шкале.
Вид диаграммы, записываемой самописцем, аналогичен
виду диаграммы, получаемой при испытании на раздир образцов,
деформируемых по типу простого растяжения (см. рис. 95,
стр. 189)."
Средняя нагрузка Рср. вычисляется таким же образом, как и
при упомянутом испытании**.
Прочность связи вычисляют по формуле:
°Р.- b
где Ъ — ширина испытываемого образца, см;
РСр. — средняя нагрузка, кгс.
Показатель ар представляет собой удельное значение
средней работы отделения слоев друг от друга, или работу образо-
* При испытании образцов из готовых изделий скорость расслоении может
быть изменена. Так, определение прочности связи между слоями покрышек
шии производится при скорости 50 мм/мин (скорость расслоения примерно
вдвое меньше скорости относительного перемещения зажимов).
** Поскольку испытания характеризуются колеблющимися нагрузками,
необходимо их производить на машинах с безынерционными силонзмери-
телями.
2. Статические методы определения прочности связи резины
вания единицы поверхности. Действительно, если расслоение
Г)
произведено по длине /, то удельная работа есть ^"- = зр.
Помимо испытания образцов-полосок, согласно стандарт}
США, применяются
кольцевые образцы. При
расслоении образца-кольца,
помещенного на цилиндрическом
сердечнике, надрезанный и
предварительно отслоенный
участок образца,
укрепленный в зажиме, образует
угол 90D с остальной частью
образца*.
Испытания могут
проводиться в двух режимах:
1) на разрывной м.ашине
при заданной скорости
движения подвижного зажима
E0 мм/мин для образцов-
полосок и соответственно
25 мм/мин для кольцевых
образцов, что обеспечивает
одинаковую скорость
продвижения границы
расслоения, примерно 25 мм/мин в
обоих случаях)
определяется средняя нагрузка при
расслоении;
2) на специальных
рамках при заданной
расслаивающей нагрузке;
показателем испытания является средняя скорость расслоения,
определяемая длиной расслоенного участка в единицу времени.
Практически подбираются нагрузки, вызывающие те же скорости
расслоения B5 мм/мин), но не более 125 мм/мин.
Результаты определения прочности связи в сильной степени зависят от
способа и тщательности заготовки образцов125.
При наличии клеевой прослойки14 особенно влияет толщина последней..
Для получения сравнимых результатов необходим строгий контроль за
количеством наносимого клея.
На рис. 201 изображены специальные приспособления15, регулирующие
толщину клеевой пленки. Объемный распределитель (рис. 201,а) способствует
Рис. 201. Распределители клеевого
слоя, наносимого на дублируемые
заготовки многослойного материала:
а—объемный; б—весовой: /—подставка; 2—
нож; 3—направляющие; 4—гайка.
* Таким образом, нерасслоенная часть образца располагается по
отношению к расслоенной, как и в образце-полоске.
'380 Гл. VI. Определ. прочности связи резин в статик, и динамик, условиях
равномерному наложению клея на поверхность материала по толщине.
Образец, на который нанесен клей, кладется на горизонтальную подставку 1 и
-протягивается под ножом 2, установленным специальной гайкой 4 на
определенной высоте и снимающим излишек клея. В весовом распределителе (рис.
201,6) нож 2 свободно скользит в направляющих 3 и под собственным весом,
примерно 110 гс, выдавливает слой клея,
находящийся на материале, протягиваемом
на подставке 1. Материал представляет
собой заготовку одного из дублируемых
слоев. Нанесенный на него слой клея
высушивается в течение 5 мин прн
циркуляции воздуха, и слои дублируются,
прижимаясь друг к другу роликами весом 4,5 кгс,
прокатываемыми до 12 раз, после чего в
течение 24 ч при комнтаной температуре иЗ*
прн 60 °С производится сушка.
Этот метод заготовки образцов,
улучшающий сходимость результатов
последующего испытания, использован и проверен в
ряде работ16.
В последнее время приобретают
значение испытания при
повышенных температурах2.
Трудности испытания в
тепловой камере возникают тогда, когда
при расслоении теряется
первоначально заданное направление. Это
явление связано с переходом
процесса разрушения на более слабый
участок, которым могут
оказаться прилежащие к расслаиваемому
стыку слои или соседние стыки.
В ГОСТ9-10 по этому поводу нет
никакой оговорки, хотя само собой
разумеется, что в этом случае
прочность связи не может быть
определена, если не будет изменено
направление расслоения. Стандарт США11 допускает возврат к
начальному направлению путем надрезания плохо
расслаиваемого участка. Фактически этим приемом легко пользоваться
при испытании в нормальных условиях, естественно, не
производя отсчетов во время надрезания. Однако произвести
надрезание образцов в тепловой камере трудно без специального
приспособления.
В НИИШП создан термостат к разрывной машине,
особенности которого заключаются в том, что для произведения
надрезания используется узкая щель в застекленном смотровом
окне передней дверцы, в которую вставляется нож.
Рис. 202. Схема термостата для
расслоения образцов при
повышенной температуре:
/—термостат; 2—ходовой винт; 3, 7—
направляющие колонки; 4, 5,
12—блохи; 6, 8, 11—тросы; 9—зажимы; 10—
динамометрическое кольцо.
2. Статические методы определения прочности связи резины 381
Термостат / (рис. 202), внутри которого находятся
зажимы 9 для образца, сделан перемещающимся, для чего он
подвешен на тросах //, проходящих через блоки 12, и уравнове
шен грузами.
Нижний зажим связан с ходовым винтом 2 привода
разрывной машины посредством троса 8, проходящего через
блоки 4.
Если расслаиваются образцы, у которых одинакова
растяжимость слоев, термостат посредством приводных тросов 6
через двойные блоки 5 присоединяется к ходовому винту. При
расслоении образца, вызванном движением нижнего зажима,
термостат опускается вниз но направляющим колонкам 7 со
скоростью, вдвое меньшей скорости движения нижнего зажима.
Если растяжимость ветвей образца неодинакова, термостат
не соединяется с ходовым винтом, а перемещается вручную так.
чтобы щель для ножа все время была против участка
расслоения.
1 и
J ^ п_/
2 -
Рис. 203. Образцы для определения прочности связи
между слоями при сдвиге:
тип / (при одинаковой растяжимости и гибкости слоев); тип // (при
разной растяжимости и гибкости слоев): /—1-й слой; 2—2-й слой;
3— клеевая прослойка; 4—прокладки для правильного закрепления
образцов в зажимах.
Верхний зажим соединен с силоизмерителем, состоящим из
кольцевого динамометра 10, на который наклеены
тензодатчики, соединенные по мостовой схеме с электронным
самопишущим прибором ЭПП-09.
Для испытаний при повышенных температурах важно
предварительно прогреть образец до температуры испытания.
Кроме расслоения, применяется отрыв резино-тканевых слоев
друг от друга16'17, производимый аналогично тому, как это
описывается в рассматриваемых ниже методах определения
прочности связи резины с металлом и эбонита с металлом.
В США используется15 принцип сдвига между склеенными
полосками (рис. 203), непосредственно растягиваемыми в
режимах заданных скорости или нагрузки расслоения, как и в
ранее описанных методах11, соответственно на разрывной машине
или специальной рамке.
Образцы типа / применяются при склеивании одинаковой растяжимости
и гибкости, а типа II—из материалов различной деформируемости, причем
более гибкий слой размещается посередине. Несмотря на симметричное распо-
382 Гл. VI. Определ. прочности связи резин в статич. и динамич. условиях
ложение слоев в образцах (по их деформационным свойствам), испытания дают
условные показатели, поскольку наряду с нарушением стыка имеет место
деформация слоев и сила, вызывающая отрыв или сдвиг, зависит от толщины
слоев и клеевых прослоек.
Для сдвига стандартизовано15 склеивание полосок шириной,
примерно, 25 мм, длиной 125 мм, на площади 25X25 мм2 при
толщине не более 3 мм.
Из всех методов98 следует предпочесть расслоение
образцов. При отрыве и сдвиге предполагается, что отделение слоев
происходит сразу по всей плоскости стыка. Напряжение,
вызывающее разрушение, рассчитывается как отношение
измеряемой нагрузки к площади отрыва, В действительности же при
испытании предполагаемое условие не всегда реализуется.
Метод расслоения позволяет выявить колебания в
прочности связи на отдельных участках расслаиваемого образца по
соответствующим колебаниям наблюдаемой при испытании
нагрузки, в то время как при отрыве и сдвиге сразу получается
некоторая усредненная характеристика прочности связи по всей
поверхности. Разброс показателей существенно зависит от
способа изготовления образца.
При выводе среднего результата расхождение между
средним арифметическим из испытания трех образцов и средним
результатом испытания одного образца не должно превышать
10%.
Определение прочности связи резины с единичной нитью
корда
Если образцы, применяемые для испытания на прочность
связи резины с прорезиненной тканью, в какой-то степени
имитируют резиновые изделия, то образцы с единичными нитями
корда190 уже не могут быть отнесены к модельным. Тем не
менее, определение прочности связи резины с отдельными
нитями корда имеет значение как общее испытание, в котором
непосредственно оценивается сцепление материалов.
По-видимому, наиболее целесообразно было бы отслаивать
нить по способу, схематически изображенному на рис. 20430.
Однако на практике трудно привулканизовать ее так, чтобы
каждый раз выдерживалась одинаковая площадь контакта
нити с резиной*. Методы определения прочности связи резины с
единичной нитью корда90 можно разделить на две группы:
1) выдергивание единичной нити из резинового или резино
* Проверка этого метода в НИИШП показала, что в действительности
получается большой разброс показателей.
2. Статические методы определения прочности связи резины 383
тканевого блока; 2) отслоение19'20 единичной нити корда от
резины при сжатии («под давлением»)*.
Среди этих методов нет ни одного стандартизованного.
Выдергивание нитей209 применяется уже давно22'23 и в различных
вариантах.
Во всех случаях в заготовки резиновых смесей между
слоями резины закладываются и завулканизовываются на
определенных расстояниях нити под
заданным натяжением,
параллельно друг другу. Резино-тканевые
блоки после вулканизации
Рис. 204. Схема отслоения
нити от резины:
/—приспособление для крепления
ро.;ьганга; 2—образец; 3—рольганг;
4—,шть (стрелками показаны
направления к верхнему и нижнему зажимам
разрывной машины).
Рис. 205. Схема
определения прочности связи
резины с нитью методом
выдергивания:
/—нить; 2—винт; J—образец-
блок; 4—нарезка для
крепления съемного устройства; 5—
держатель.
разрезаются на отдельные орбазцы. При испытании по
применяемому в ГДР методу22'23, как это показано на рис. 205,
нить 1 закрепляется в один зажим разрывной машины
(обычно верхний неподвижный), а весь образец 3— в полость
держателя съемного устройства 5, закрепляясь в нем винтом 2.
Все устройство навинчивается вместо подвижного (обычно
нижнего) зажима машины на нарезку 4. При испытании
отмечается нагрузка, необходимая для выдергивания нити из
резинового образца.
Эта нагрузка, естественно, зависит от площади контакта нити и резины,
а не только от прочности связи испытуемых материалов. Однако, ее определяют
и такие факторы, как скорость возрастания нагрузки в процессе испытания,
толщина и конструкция (число и расположение нитей) резинового образца,
условия изготовления образцов, степеиь очистки свободного конца нити от вы-
прессовок резины, получаемых при вулканизации. Если нить не очистить от
* Вариантом способа отслоения целиком завулканизованной нити
является 1-метод20.
384 Гл. VI. Определ. прочности связи резин в статич. и динамик, условиях
выпрессовок, фактическая площадь контакта нить—резина увеличивается,
что никак не учитывается.
Если эти факторы строго не регламентированы, результаты испытания
могут дать большой разброс.
Проверка20 этого метода показывает, что он не чувствителен
к отклонениям в рецептуре и технологии пропитки корда; метод
дает большой разброс результатов.
Другой, существенно усовершенствованный вариант метода
выдергивания — это Н-метод (Аш-.методJ4, получивший свое
название по форме образца, напоминающей букву «Н». Образец
представляет собой два
резиновых блока,
соединенных нитью.
/ При испытании блоки
закрепляются в
специальных устройствах,
помещаемых вместо нижнего
и верхнего зажимов
разрывной машины, как это
изображено на рис. 206,а.
Первоначально
предложенный способ
изготовления образцов и, в
частности, конструкция
вулканизационной формы
подвергались ряду
изменений26,
способствовавших, в конечном итоге,
освобождению нити от
Рис. 206. Отдельные детали для испытания
по Н-методу:
а—образцы в приспособлении к разрывной машине;
6—вулканизаииоиная форма; б—образец;
1—держатели; 2—резиновые блоки образца; 3—иить.
выпрессовок резины.
Резиновая смесь пропускается через вальцы при зазоре 3,5 мм. Из листа
смеси вырезаются заготовки (полоски смеси толщиной 3,5—4 мм) с тем, чтобы
их можно было заложить в каналы предварительно нагретой нижней части
формы (рис. 206,6); затем укрепляется планка с нитями. Последние проходят
через прорези в бортах формы; на свободные концы каждой нитн укрепляются
грузы по 200 гс. Сверху на нити, вдоль среднего выступа пресс-формы, который
вдвое ниже боковых выступов, накладывают полоски целлофана (защищая
часть нити между резиновыми заготовками от контакта с резиной), а сверху—
лист резины; закрывают форму крышкой. Вулканизация производится в прессах
при давлении 25 кгс/см2. Далее вырезают образцы (рис. 206,в) и удаляют
резину, находящуюся над целлофаном.
Испытание образцов при выдергивании нитей можно
производить после различной механической или тепловой обработки
образца. Так, рекомендуется прогрев. Например, распространен26
прогрев образцов перед испытанием при 120 °С в воздуш-
2. Статические методы определения прочности связи резины 385
ном термостате без циркуляции, в течение 2 ч. Может
применяться также предварительное утомление25 *.
Выдергивание нитей осуществляется при скорости
движения зажима машины 100 мм/мин и комнатной температуре.
Образцы для испытания на отслоение нитей под давлением
(рис. 207) имеют форму цилиндров диаметром 18±0,1 мм и
высотой 25 мм. По диаметру среднего по высоте сечения,
параллельного торцам,проходит
кордная нить.
Заготовка образцов
производится следующим образом.
Резиновая смесь пропускается
через вальцы при зазоре между
валками 5,6—5,8 мм. После «отдыха»
заготовки резиновых листов разме-
///////
v; T_
7777777777777?
в
а О
Рис. 207 Последовательные стадии
отслоения нити под давлением:
«—образец до сжатия; б—образец при
сжатии; в—сжатый образец с отслоенной нитью.
течение 10 мин ?при 115—120 °С,
рами около 175x265 мм2 дублируют
прикаточными роликами и собирают
пластинку на деревянной рамке,
поставленной под углом 25—30° к
горизонтали. Нити корда,
предварительно прогретые в термостате в
закрепляются на верхней стороне рамки размером 265 мм на расстоянии 24 мм
друг от друга, размещаясь между двумя сдублированными заготовками
резиновой смеси параллельно стороне в 175 мм, под натяжением в 200 гс каждая,
для чего к свободным концам нитей подвешиваются соответствующие грузы.
Вулканизованные пластины имеют размеры 270x180x24 мм3. Через
24 ч после вулканизации из пластин высверливаются образцы с помощью
цилиндрических ножей.
Перед испытанием образцы прогреваются в воздушном
термостате без циркуляции воздуха в течение 2 ч при 120 °С.
Испытание производится на разрывной машине с реверсором при
скорости сжатия 1000 мм/мин. При сжатии образца на его
боковой поверхности, в области расположения кордной нити,
образуются два неглубоких воронкообразных углубления
(рис. 207,6). Это происходит вследствие относительно малой
(по сравнению с резиной) деформируемости корда. Когда
сдвиговое напряжение между резиной и кордом достигает
величины, равной прочности связи между обоими материалами,
происходит отслоение корда и углубления с поверхности образца
исчезают (см. рис. 207,в). В этот момент производят отсчет
нагрузки, являющейся показателем прочности связи.
* Образцы, испытываемые по схеме рис. 205, размерами 13x13x19 мм3
с кордной нитью поперек большой оси предварительно утомляются на флексо-
метре Гудрича при частоте 1450 циклов в минуту и ходе ~6 мм. Статическая
нагрузка и время утомления переменны. Образцы располагаются длинной
осью по направлению сжатия; при этом нить проходит параллельно сжимающим
площадкам и не находится под натяжением.
25—2406
386 Гл. VI. Определ. прочности связи резин в статич. и динамич. условиях
Согласно I-методу, нить завулканизовывается в центре, по
длинной осп I-образного резинового массива (рис. 208).
Образец подвергается растяжению. С увеличением степени
растяжения нагрузка монотонно растет. В момент отслоения одного из
концов нити наблюдается некоторый спад нагрузки. Конец
образца, от которого отслаивается нить, постепенно становится
тоньше, чем остальной образец. В ходе дальнейшего растяжения
образца нагрузка вновь возрастает. Отслоение второго конца
п
о
O U U
а
в ж
Рис. 208. Последовательные стадии отслоения нити от
резины по I-методу (пунктиром показана нить):
а—ненагруженный образец; б—начало отслоения нитн с одного
конца; в—распространение отслоения нити с одного конца;
е—огслоенне нити с двух концов; д— закручение образца,
е—полное отслоение нити; ж—образец после снятия нагрузки.
нити приводит к повторному скачку нагрузки; другой кс;іец
образца также становится тоньше; оба конца закручиваются.
Полное отслоение нити приводит к образованию сильно вытянутого,
но равномерного по толщине образца.
Метод отслоения нити под давлением отличается более
высокой чувствительностью, чем метод выдергивания нити, в
частности из-за отсутствия выпрессовок резины в образце,
неопределенным образом искажающих величину площади контакта
нити с резиной.
Однако метод выдергивания сохраняет свою силу, так как
является единственно приемлемым методом при испытании
образцов, вырезанных из готовых многослойных резино-тканевых
изделий. Усовершенствованный его вариант (Н-метод) дает
разброс результатов такой же, как и метод отслоения нити под
давлением, однако преимущества Н-метода п оявляются в том
2. Статические методы определения прочности связи резины 387
случае, когда необходимо определить прочность связи резины
с металлокордом: легче производится заготовка образцов.
По-видимому, Н-метод является одним из наиболее
перспективных статических методов определения прочности связи с
единичной нитью тканевого корда, единственно реализуемым
методом при определении прочности связи резины с
металлокордом, а также одним из вариантов методов выдергивания нитей
из резинового блока после различных сроков утомления,
применяемых, когда необходимо изучить зависимость прочности связи
от времени утомления или определить прочность связи, если
эта связь не разрушается в динамических условиях.
При выдергивании нити из резинового блока измеряется
сила F, вызывающая отделение нити. Относя F к площади
контакта нити с резиной S = 7id2l, где / — длина нити на участке
контакта, d — диаметр нити, можно вычислить сдвиговое
напряжение, непосредственно характеризующее прочность связи
нить-—резина. В этом заключается преимущество метода
выдергивания перед методом отслоения нити под давлением,
дающим некоторый условный показатель прочности связи.
Действительно, напряжение сдвига при сжатии резинового образца с
кордной нитью, расположенной по его диаметру, зависит в
первом приближении от разности модулей резины и корда при
одинаковой степени деформации связанных материалов, возникшей
на их границе. В зависимости от состава резины и марки корда
одна и та же сжимающая нагрузка может разрушить системы,
имеющие в принципе неодинаковую прочность связи.
Следует, однако, отметить, что практический разброс
показателей испытания остается пока еще довольно высоким для
статических методов. Для получения среднего результата с
точностью 10% требуется испытывать до 12 образцов.
Определение прочности связи резины с металлом
В СССР стандартизованы методы определения статической
прочности связи резины с металлом: при отрыве31, при сдвиге32
и при отслаивании33.
Испытания производятся на разрывных машинах с
соответствующими приспособлениями типа реверсора, показанными на
рис. 209—211.
Аналогичные методы разработаны и для испытания на
прочность связи эбонита с металлом34, а также сырых (невулкани-
зованньгх) резиновых смесей с металлом35. Отрыв (рис. 209Т
металлических частей образца 2 и 3, закрепленных в
планках /, 4 шпильками 5, 7 от резиновой цилиндрической части б
25*
388 Гл. VI. Определ. прочности связи резин в статич. и динамич. условиях
производится при движении одного из зажимов разрывной
машины со скоростью 50 мм/мин. В это время направляющие
колонки 10 и 11 скользят в отверстиях соответствующих пла-
Рис. 209. Реверсивное
приспособление для определения прочности
связи резины с металлом при отрыве:
1, 4—планкн: 2, 3—металлические части
образца; 5, 7—шпильки: в—резиновая часть
образца; 8, 13— пальцы; 9, 12—планки; 10,
It—направляющие колонки.
Рис. 210. Реверсивное
приспособление для определения прочности
связи резины с металлом при
сдвиге:
/, 6—металлические части образца; 2, 5,
7, 9—шпильки; 3—резиноваи часть образца;
4. 8—скобы.
нок 12 п 9 реверсора, установленного с помощью пальцев в
и 13 на месте верхнего и нижнего зажимов разрывной машины.
Для осуществления сдвига на таком же приспособлении
типа реверсора образец, состоящий из двух металлических
пластин / и 6 (см. рис. 210), которые заканчиваются выступами с
отверстиями для шпилек 2, 7 и из резинового прямоугольника 3,
закрепляется шпильками 2, 7 в соответствующих скобах 4, 8.
Последние устанавливаются в реверсоре при помощи
шпилек 5, 9.
2. Статические методы определения прочности связи резины
389
Как и при отрыве, при сдвиге по шкале разрывной машины
отмечают нагрузку (обычно максимальную), при которой
происходит отделение резины от металла.
Прочность связи резины с металлом ст (в кгсісм2)
выражается величиной нагрузки Р (в кгс), приходящейся на
единицу площади сцепления резины с металлом S (в см2): a=P/S.
гг.
о о
Рис. 211. Реверсивное приспособление для определения прочности
связи резины с металлом при отслаивании:
а—образец в приспособлении; б—нижний зажин; в—рифленая площадка и упорный
штифт; в—металлическая часть образца; о—верхний зажим; 1, 8— пальцы; 2—упорный
штифт; 3—верхний зажим; 4—прорезь; 5—резиновая часть образца; 6—болты; 7—нижний
зажим; 9—планки; 10 13— рифленые площадки; Л—металлическая часть образца; 12—
пазы.
Образцы имеют форму и размеры, указанные на рис. 212,а, б.
При отрыве S = 2,52jt= 19,6 см2, а при сдвиге S = 2,222 =
= 4,93 см2.
Образцы получаются вулканизацией в индивидуальных
гнездах специальных форм. Прочность связи существенно зависит
от масштабного фактора: высоты резиновой части образца и
величины площади контакта S.
Самый характер разрушения (по границе металл—резина,
частично по резине, целиком по резине) изменяется в
зависимости от масштабного фактора.
Здесь сказывается как неоднородность деформации,
связанная с изменением формы резиновой части образца при испыта
нин, так и влияние повреждений при удалении заусенцев,
получающихся при выпрессовке резины во время вулканизации.
Большое значение имеет степень обработки металлических
частей образца, чистота контактируемых поверхностей
(отсутствие пыли, влаги, посторонних веществ) и ряд трудно
учитываемых факторов.
390 Гл. VI. Определ. прочности связи резин в статич. и динамич. условиях
4)
+22.2^
Для испытания на отслаивание образец ('рис. 212,s)
металлической частью // (см. рис 211) вставляется в нижний зажим 7,
входя в направляющие планки 9 своими пазами 12 и
удерживаясь упорным штифтом 2,
находящимся в прорези 4.
Нижний зажим крепится в
разрывной машине пальцем 8.
Верхний зажим 3, имеющий
внизу расширенную, рифленую
? одной стороны площадку 10,
к которой болтами 6
прикреплена аналогичная площадка 13,
крепится в разрывной машине
пальцем /. Между
площадками 10 и 13 вставляют
свободный конец резиновой части
образца 5, затягивая его
болтами 6.
При отслаивании нагрузка
колеблется вокруг среднего
значения РСр. (в кгс).
Прочность связи резины с металлом
а вычисляется из выражения
а=РСр/Ь (вкгс1см),тд,еЬ—ши-
Рис. 212. Форма и размеры образцов, Р™а образца (в см). Отслаи-
вание ДОЛЖНО производиться
на машинах с безынерционны-
ми «-ИЛиизмерш ЄЛИМИ.
Методы отрыва и
отслаивания применяются352 и
стандартизованы в разных странах342; они рекомендованы
Международной организацией по стандартизации43'44.
Установлено, что разброс показателей при отрыве тем
меньше, чем тоньше резиновая часть образца. В новом ГОСТ
вместо высоты образца 10 мм применяется высота 2 им.
По рекомендации ИСО, высота резинового цилиндра
составляет 3±0, і мм при диаметре 35—40±0,03 мм, а толщина
металлических частей на торцах не менее 9 мм.
Изменение скорости отрыва в пределах 25—100 мм/мин
практически не влияет на результаты испытания.
При отслаивании44, как и в ASTM40, применяются образцы,
изображенные на рис. 213.
Угол между направлением отслаивания и растяжения
составляет 90°; для сохранения угла рекомендуются специальные
зажимы44 или приспособления40'42.
испытываемых на прочность связи
резины с металлом:
а-при отрыве; б-при сдвиге; e-прн отслое-
нии; /, г—металлические части; 3—резиновая
а
2. Статические методы определения прочности связи резины.
391
Заслуживают внимания методы определения прочности
связи резины с металлом при сдвиге, разработанные в Италии45.
Испытания производятся по двум вариантам: на образцах
типа А и Б,
изображенных на рис. 214.
Образцы типа А
состоят из резинового коль-
ца, завулкан'изованного <?-
между двумя
концентрическим« металлическими
кольцами (диаметры:
внутренний—40 ±0,02 мм,
наружный — 48 ±0,02
мм). Сечение резинового
кольца трапециевидное,
Рис. 213. Приспособление для отслаивания
резины от металла (по рекомендации ИСО):
J—металлическая часть образца; 2—резиновая часть
образца.
при этом толщина наружного металлического кольца может
быть 4 или 8 мм при соответствующей толщине внутреннего
металлического кольца 5,8 или 11,6 мм.
тип Б
Рис. 214. Образцы типа А и Б для определения прочности
связи резины с металлом при сдвиге по ИСО:
Л 2—металлические кольца; 3—резнпован часть.
Образцы получают вулканизацией в индивидуальных
гнездах форм.
В вулканизационную форму резиновая смесь затекает под
давлением. При этом металл соприкасается всегда со свежей
поверхностью смеси, таким образом исключается влияние
загрязнений поверхности контакта.
При испытании центральное металлическое кольцо
закрепляется неподвижно, а наружное — в подвижной части машины,
поворачивающейся вокруг оси образца. Фиксируется нагрузка
сдвига, вызывающая отслоение (отрыв) резины от металла.
При испытании на сдвиг в образцах имеет место
равномерное распределение напряжений, отсутствуют краевые эффекты.
392 Гл. Vf. Определ. прочности связи резин в статич. и динамич. условиях
Образцы могут быть применены также для испытания на
многократный знакопеременный сдвиг.
Недостаток образцов — наличие некоторых начальных
напряжений на стыках, возникающих при остывании после
вулканизации, и влияние износа металлических частей (изменения
их размеров) при чистке после испытания, сказывающееся в
последующих испытаниях.
Образцы типа Б также представляют собой резиновые
кольца, завулканизованные между металлическими кольцами.
Однако последние располагаются не по боковым поверхностям, а
по торцам. Диаметры резинового кольца: внутренний —
10±0,02 мм, наружный — 22±0,02 мм при толщине кольца
3,5_-млі.
Поверхности металлических частей, подлежащие
склеиванию,— плоские. Они легко очищаются после испытания (для
использования в последующих испытаниях).
Сжатие при охлаждении образца частично затруднено и
поэтому остаточные (начальные) напряжения в нем небольшие.
В отличие от ранее описанных испытаний на прочность
связи резины с металлом, извлечение образцов из
индивидуальных гнезд вулканизационной формы не сопряжено с
возможным повреждением образца, так как применяются разъемные
формы.
Как и в аналогичных методах36'37, во время испытания
существенное значение имеет сохранение направления действия
внешней силы по отношению к образцу, что требует специальных
надежных приспособлений, выполненных со строгими
допусками, так как малейший перекос стыка вызывает изменение
напряжений.
При решении вопросов термостатирования и
предварительного прогрева (охлаждения) образцов для испытанчя при
повышенных (пониженных) температурах, а также надежной
установки образцов для испытания в камерах термостатированных
машин, по-видимому, нужно будет отдать предпочтение методу
испытания на сдвиг образцов типа Б.
3. ДИНАМИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПРОЧНОСТИ
СВЯЗИ РЕЗИНЫ С РЕЗИНОЙ, РЕЗИНЫ С ПРОРЕЗИНЕННОЙ
ТКАНЬЮ, РЕЗИНЫ С КОРДОМ И ДРУГИМИ МАТЕРИАЛАМИ
Для указанных испытаний могут быть использованы многие
из машин, описанных в главе V. Кроме того, длч этих целей
разработаны специальные приборы и приспособления.
Результаты испытания выражаются обычно числом цчклов, которые
выдерживает модельный образец ло его разрушения.
3. Динамические методы определения прочности связи резины 393
Если образцы не доводят до разрушения, их утомляют в
течение заданных промежутков времени, а затем испытывают
статическими методами, определяя нагрузку либо при
расслоении слоев, либо при выдергивании нитей из резиновых блоков
и т. п.
В процессе испытания можно измерять также температуру
на стыках слоев.
протекторная
резина
Протектор
пая резина"
брекерная^
резина
<Р!8
Слои
о о рез и не,ч ного'1-
6 корда
Рис. 215. Конструкции образцов для определения
прочности связи при многократном сжатии:
а—двух резин по методу НИИШП; б—двух резин по методу ЯШЗ; в—
между слоями резина—резниа, резина—прорезиненная ткань — по
методу мшз.
Одним из наиболее перспективных путей ближайшего
будущего представляется изучение закономерностей разрушения
многослойных систем, имеющее целью выявить возможность
описания зависимости прочности связи от условий циклического
нагружения законом, аналогичным установленному при
усталостном разрушении для цельнорезиновых систем (см.
разделы 1 главы V и данной главы).
Определение динамической прочности связи
резины с резиной
Определение прочности связи двух резин (главным образом,
протекторной и брекерной) по методу НИИШП2'46 заключается
в многократном сжатии на машине МРС-2 кубических
образцов с диагональной плоскостью стыка резин (рис. 215,а). Одна
резина (обычно брекерная) толщиной 4 мм располагается
между двумя одинаковыми по размерам частями другой
(протекторной) резины при общей высоте образца 25 мм.
Образцы заготавливаются из стандартной трехслойной
вулканизованной пластины. Последняя получается
дублированием вальцованных листов сырых смесей и формовой
вулканизацией в прессе пр,и 143 °С в течение 100 мин под давлением
20 кгс/см2.
394 Гл. VI. Определ. прочности связи резин в статич. и динамич. условиях
Пластина (после «отдыха») разрезается на полосы шириной
25 мм, из которых заготавливаются прямоугольные
параллелепипеды размером 36X25X36 мм. Из последних, как показано
на рис. 216, нарезаются кубические образцы.
со
2525 30-40
/" У" У* 7
36
Рис, 216. Заготовка образцов по методу НИИШП:
[а—разметка многослойной пластины; б—разметка нарезанных из пластины прямо-
угольных параллелепипедов в виде полос; в—разметка вырезанных нз полос
прямоугольных параллелепипедов для окончательной вырезки образцов.
Многократное сжатие производится с частотой 500 циклов
в минуту при размахе деформации в 40% от первоначальной
высоты образца.
Идея расположения резин со стыком по диагонали возникла на
Ярославском шиниом заводе, однако была принята вулканизация образцов,
показанных на рис. 215,6, в индивидуальных формах. При такой вулканизации
плоскость стыка сильно искажается. Кроме того, несимметричное расположение
резин различной жесткости приводит к неизбежному искажению формы
образца при испытании. Эти недостатки отсутствуют в методике НИИШП.
При расположении плоскости стыка под углом 45° здесь
возникают максимальные касательные (разрушающие)
напряжения.
3. Динамические методы определения прочности связи резины 395
Однако разрушение образцов не всегда происходит по
стыкам. Образцы, первоначально поджатые на 2 мм,
«усаживаются» во время испытания. Образовавшийся просвет
ликвидируется периодическим опусканием верхней сжимающей площадки
машины МРС-2, но плоскость стыка при этом теряет выгодное
для разрушения направление.
6 в
Рис. 217, Заготовка и конструкция образцов для определения
прочности связи по методу МШЗ:
а—разметка многослойной пластины для иарезки; б—наложение на
прямоугольный параллелепипед в виде полосы шаблона для иарезки на
косоугольные параллелепипеды; в—установка косоугольного параллелепипеда для
высверливания из него цилиндрического образца; 1—протекторная резина;
2—брекериая резииа; Л—образец; 4—полоса; 5—шаблон.
По методике НИИШП можно испытывать образцы в
режиме заданной статической нагрузки с приспособлением,
описанным в главе V (см. рис. 181).
Более подходящие условия для разрушения стыка выбраны
при испытании образцов (рис. 217) на многократное сжатие
на флексометре типа Гудрича по методике Московского
шинного завода47. Применение цилиндрических образцов
благоприятствует более равномерному распределению напряжений
по сравнению с прямоугольными. Угол стыка с направлением
сжатия при испытании сохраняется меньше, чем 45°. Кроме
того, при сжатии для уменьшения влияния краевых эффектов
целесообразно4 выбирать образцы высотой больше, чем диаметр,
что также выполняется в данном случае.
396 Гл. VI. Определ. прочности связи резин в статич. и динамин. условиях
Условия испытания варьируются в зависимости от типа
применяемых резин: частота равна 850 циклов в минуту,
статическая нагрузка — 10 кгс на 1 см2 образца, размах деформации—
от 30% до 36%.
При испытании на машине для многократного сдвига со
статическим сжатием используются образцы48 с расположением
стыков перпендикулярно направлению сдвига (рис. 218).
Образцы получаются вырезкой из трехслойных вулканизованных
Протекторная
резина
Брекерная
резина
У//// //////////////////////л
6
Рис. 218. Образец для определения прочности связи
между резинами при многократном сдвиге:
а—размеры и расположение резин; б—схема статического сжатия и
динамического сдвига.
пластин. Показано48'49, что стыки резин равномернее по
прочности при вулканизации в плунжерной прессформе, а не в
форме закрытого типа.
Для быстрой оценки «прочности связи» (точнее —
выносливости, т. е. числа циклов до разрушения) выбираются жесткие
условия испытания (статическое сжатие до высоты 7 мм при
амплитуде сдвига 10 мм). При таких условиях разброс
показателей минимален, время испытания небольшое и разрушение
происходит по стыкам. Если же стыки не разрушаются, можно
считать, что они прочнее резин в слоях, так как стыки
находятся в наиболее напряженном состоянии. Следует, однако, не
забывать, что при сравнении образцов из различных резин в
более мягких условиях соотношение их прочностей может
оказаться обратным тому, которое наблюдается в жестких
условиях. Поэтому, если неизвестны конкретные условия,
целесообразно снимать'кривые число циклов — амплитуда сдвига.
3. Динамические методы определения прочности связи резины 397
Рис. 219. Крепление
образца при сдвиге без
статического сжатия:
/—многослойный образец; 2—
площадка.
Последние работы НИИШП показали, что можно крепить
образцы в площадках при сдвиге без статического сжатия,
(рис. 219). Применяя стыки, параллельные сдвигающим
площадкам, и ослабляя их либо путем пропудривания (талькиро-
вания) через металлическую сетку заданных размеров48 перед
сборкой (дублированием) слоев в пластинчатую заготовку,
либо путем нанесения дозированного надреза на стыке готового
образца, легко добиться разрушения по стыкам даже тогда,
когда динамическая прочность связи
между резинами выше усталостной
выносливости отдельных резин; при этом,
меняя степень ослабления стыка, можно
всегда избежать обтрепывания
образцов о края площадок, так как стык
разрушается раньше, чем произойдет обтре-
пывание.
Для систем с малой прочностью
связи ослабление стыков не нужно.
Применение симметричной деформации сдвига
без статического сжатия позволяет
проводить испытания в различных режимах
статического нагружения, сочетая
измерения динамических свойств многослойных образцов на одной
машине (для задания соответствующих параметров режима) с
испытанием этих образцов на большом числе брекерных
машин без измерительной системы, аналогично тому, как это
делается при испытании на стенде СЗПИ в сочетании с прибором
ДИЗПИ (см. главу V). При этом могут вычисляться
коэффициенты ?/ и ? еСтепенных законов A) и B) (см. раздел 1 главы VI).
Уменьшению разброса показателей способствует замена
прямоугольных образцов на цилиндрические2-4. Кроме того,
сообразуясь с работой конкретных изделий в эксплуатации,
рационально проводить испытание не только в режиме заданной
амплитуды сдвига, но и в других режимах (заданной амплитуды
нагрузки, заданной энергии цикла), например на машине Цыд-
зика50 с оптической измерительной системой (см. рис. 159).
Показано46, например, что для определения прочности связи
протектор—брекер наиболее характерные результаты,
сопоставимые с результатами дорожных испытаний шин, получаются при
испытании в режиме заданной амплитуды усилия сдвига и
заданной нагрузки статического поджатия.
Деформации, близкие к сдвиговым, получаются на стыках
при многократном кручении образцов со стыками,
расположенными перпендикулярно оси кручения на описанной в главе V
машине (рис. 190).
398 Гл. VI. Определ. прочности связи резин в статич. и динамич. условиях
Определение динамической прочности связи между резиной
и прорезиненной тканью или слоями прорезиненного корда
Согласно ASTM51 резино-тканевые образцы испытываются
при многократном изгибе на флексинг-машине Скотта52'53 и
машине фирмы «Дюпон»54. Оба метода дают большой разброс
показателей и малохарактерные результаты, не обеспечивая
разрушения образцов по стыкам. Поскольку испытываются образцы
в виде полосок, они могут быть использованы для расслоения
статическим методом после различных времен утомления.
Согласно принятым в СССР методикам, испытания на
прочность связи между слоями резины и прорезиненной ткани
(корда) производятся18'47 аналогично испытаниям на прочность
связи между резинами: на флексометре типа Гудрича47 (см.
рис. 215,в), на машине МРС-2 (многократное сжатие образца
со стыками, расположенными вдоль направления сжатияJ0, на
сдвиговой машине (образцы, подобные изображенным на
рис. 218) с расположением в центре прорезиненной ткани, а по
краям — резины). Аналогичные образцы могут быть
заготовлены вырезкой из резинового многослойного изделия.
Стандартизовано55 испытание на многократный сдвиг при
статическом сжатии многослойных образцов со слоями,
расположенными вдоль направления сдвига. Помимо модельных
образцов, применяются образцы, вырезаемые из изделия.
Например, из покрышек шин вырезаются образцы, содержащие
четыре верхних слоя каркаса, все слои брекера и 4 мм по
высоте — массива протектора. Общая высота образцов не
превышает 20 мм, площадь 35X22 мм2. По этому виду испытания
сдвиговая машина получила название «брекерной».
Хотя описанные в этом разделе испытания в какой-то мере
моделируют работу многослойных изделий, но по ним трудно
непосредственно судить о прочности связи резина—ткань,
резина—корд.
Испытывая образцы с единичной нитью корда, можно более
точно и строго задавать значения основных параметров
режима испытания, в частности определенным образом нагружать
не только образец в целом, но и нить.
Определение динамической прочности связи резины с единичной
нитью корда
Испытания на прочность связи резины с отдельными
нитями корда заключаются в многократных деформациях
резиновых образцов с завулканизованными в них нитями, которые
при испытании находятся под натяжением грузов.
3. Динамические методы определения прочности связи резины 399
Испытания производятся либо до момента выдергивания
корда из образца, либо до заданного числа циклов, после чего
из образцов производится выдергивание нитей на разрывных
машинах.
Рис. 220. Схема машины «роллер-флекс» для
изгиба образца на ролике при определении прочности
связи резины с единичной нитью корда:
/—груз; 2—ннть; 3—образец; 4—ролик; 5—кривошипно-шатуи-
ный механизм.
Такие испытания проводятся на машине «роллер-флекс»
(рис. 220MS и на машине Генлея (рис. 221 M7-58. На первой
машине образец, содержащий корд, к которому подвешен груз,
подвергается многократному изгибу на ролике.
Рис. 221. Машина Генлея:
/—эксцентрик; г—приводной диск; 3—плунжер;
4—образец; 5, Ю—блоки; 6, 9—грузы; 7—микрометрический вин г;
S—наковальня.
400 Гл. VI. Определ. прочности связи резин в статич. и динамич. условиях
На второй машине применяются образцы в виде резиновых
трубок внутренним диаметром 3,2 мм, внешним диаметром
12,3 мм, с фланцами на концах для установки образцов в
машине. К нитям, расположенным в сердечнике образца,
прилагается статическая нагрузка 1,36 кгс (для натяжения).
Машина для испытания состоит из плунжера 3 диаметром
16 мм, передающего на верхнюю наковальню изгибающий
момент (создает изгиб образца 4 на 5,4 мм) от эксцентрика /,
10
Рис. 222. Испытание на прочность связи резины с нитью корда
при многократном сжатии на машине МРС-2 (справа сверху показав
образец):
/—маховичок; 2—траверса; S, 5—сжимающие площадки; 4—установочные винты; 5—
образец; 7—ползун; в—шатун; 9—основание; 10—станина; //—нить; /2—груз; 13—
электродвигатель.
находящегося на оси одного из передаточных дисков привода 2.
Скорость вращения эксцентрика 470 об/мин. Нижняя
наковальня 8 с- помощью микрометрического винта 7 устанавливается в
таком положении, чтобы образец соприкоснулся с ней при
изгибе в первой половине хода плунжера и был прогнут на 6,4 мм
во второй половине хода плунжера. Образец расположен по
горизонтали, центральной частью между наковальнями. Концы
нитей перекинуты через блоки 5 и 10 и натянуты грузами 6 и 9.
При усадке образца он поджимается микрометрическим винтом.
После утомления производится статическое выдергивание нити
методом, описанным выше (см. рис. 205).
3. Динамические методы определения прочности связи резины 401
К этому же виду испытаний относится утомление образцов-
полосок размером 380X19X6,4 мм3, в которых проходят
поперек 24 кордных нити, натянутых каждая грузом в 1 кгс на
машине Релига09.
Характеристикой испытания служит число циклов
многократной деформации до момента выдергивания нити.
Аналогичного типа испытание21 производится в НИИШП
на машине МРС-2 при многократном сжатии цилиндрических
образцов резины с кордной нитью по диаметру среднего по
высоте сечения, натянутой грузом в 1 кгс (рис. 222).
а и
Рис. 223. Форма образцов и размеры
держателей для испытания на многократное
растяжение—сжатие на машине МРС-2:
а—гантелевидные резино-кордные образцы; б—держатели.
Методика испытания была существенно улучшена путем
применения гантелевидных образцов60. Крепление образцов и
симметричное нагружение нити исключает возможность перекоса
образцов при испытании. Образцам задается деформация
растяжение— сжатие, при которой исключается образование
просвета между образцом и сжимающей площадкой. Имеется
возможность варьирования параметров режима.
Резиновые гантелевндные образцы (рис. 223,а) с двумя за-
вулканизованными под натяжением 200 гс кордными нитями
подвергаются знакопеременной деформации
растяжения—сжатия, с частотой 250 или 500 циклов в минуту.
Утолщенные концы гантелевидных образцов крепятся в
специальных держателях (рис. 223,6), вставляемых в зажимы
машины МРС-2.
Кордная нить находится под статическим натяжением (на
оба конца ее повешены одинаковые грузы). Статическое
натяжение может и не задаваться.
26—2406
402 Гл. VI. Определение прочности связи резин в статич-. и диндмич. условиях
С помощью специального приспособления (рис. 224) можно
прилагать попеременно с обеих концов нити выдергивающую
нагрузку.
Приспособление состоит из двух фигурных дисков /,
вращающихся с частотой 0,5 об/мин. На диск / опираются
толкатели 2, перемещающиеся в направляющих втулках 3 и то
поднимающие, то опускающие грузы 4 посредством тарелок 5.
Сила выдергивания задается различной величины. Чем она
больше, тем меньше время до выдергивания нити из образца.
Показателем «прочности связи» является число циклов,
прошедшее до выдергивания нити.
Н верхнему
зажиму
И подвижному
зажиму
Рис. 224. Схема испытания на машине МРС-2 с
приспособлением для рези но-кордных гаителевид-
ных образцов:
/—фигурные диски; 2—толкатели; 3—направляющие;
4—грузы; 5—тарелки.
Если задано только статическое натяжение нити, то после
определенного числа циклов многократной деформ'ации
растяжения—сжатия образцы испытываются статическим методом
выдергивания нитей на разрывной машине со специальным
держателем.
Преимущества метода заключаются в том, что он позволяет
проводить испытания образцов в отсутствие динамического
разнашивания, дает возможность близко воспроизвести работы
кордной нити в элементах каркаса шины; этим методом
получаются более сходящиеся результаты, чем методом
многократного сжатия. Кроме того, метод может быть использован для
оценки динамической прочности связи резины с металлокордом.
Литература 403
ЛИТЕРАТУРА
1. Г. Л. Слонимский, в сб. «Прочность связи между элементами ре-
зино-тканевых многослойных изделий в производстве и эксплуатации»,
Госхимиздат, 1956, стр. 5.
2. М. А. Цыдзик, А. И. Лукомская, Г. Л. Слонимский,
в сб. «Прочность связи между элементами резино-тканевых
многослойных изделий в производстве и эксплуатации», Госхимиздат, 1956, стр. 201.
3. Б. А. Д о г а д к и н, в сб. «Прочность связи между элементами
резинотканевых многослойных изделий в производстве и эксплуатации»,
Госхимиздат, 1956, стр. 16.
4. А. И. Лукомская, Г. Л. Слонимский, М. А. Цыдзик,
Труды НИИШП, сб. 4, Госхимиздат, 1957, стр. 62.
5. Б. В. Д е р я г и н, Н. А. Кротова, Адгезия. Исследования в
области прилипания и клеящего действия, Изд. АН СССР, 1949.
6. С. Б. Р а т н е р, М. М. Р є з н и к о в с к и й, Ю. С. Зуев, Зав.
лаб., № 7, 849 A954).
7. L. М и 1 1 і п s, Trans. IRI, 35, 213 A959); F. В и е с h e, J. Appl. Phys.,
26, 1133 A955).
8. M. M. P є з и и к о в с к и й, Л. С. П р и с с, М. К- Хромов,
Коллоид, ж., 20, 368 A958); 21, 458 A959).
9. ГОСТ 6768-—53. Определение прочности связи между слоями резины с
резиной, прорезиненных тканей между собой и резины с другими
материалами при расслоении на разрывной машине.
10. ГОСТ 264—53. Определение прочности связи между слоями резины с
резиной, прорезиненных тканей между собой и резины с другими
материалами при расслоении на гистерезисной машине.
11. ASTM D413—39. Standard Methods of Test for adhesion of vulcanized
rubber (friction test).
12. Rubb. Age (New York), 61, 194 A947); 65, 191 A949).
13. G. L. Hammond, R. С W. M о a k s, Rubb. Chem. Technol., 23,
467 A950); Trans. IRI, 25, 172 A949).
14. J. J. Biker man, J. Soc. Chem. Ind., 60, 23 A941).
15. ASTM D816—55. Standard Method of Testing Rubb. Cements.
16. E. M. Borroff, W. С Wake, Trans. IRI, 25, 190, 199, 210 A949);
E. M. Borroff, R. S. К hot, W. С Wake, Trans. IRI, 25,
222 A949).
17. T. J. Me у er і с k, J. T. Watts, Trans. IRI, 25, 150 A949).
18. ASTM D903—46T. Tentative Method of Test for peel of stripping strength
of adhesives.
19. E. T. L e s s і g, J. С о m p t о n, Rubb. Chem. Technol., 19, 223 A946).
20. P. В. Узина, Л. С. Громова, С. А. Васильева, в сб.
«Прочность связи между элементами резино-ткаиевых многослойных
изделий в производстве и эксплуатации», Госхимиздат, 1956, стр. 184.
21. Р. В. Узина, Хим. наука и пром., 4, 42 A949).
22. A. Springer, Gummi-Zeitund, 55, 813, 825, 839, 851, 861 A941).
23. A. Springer, Kautschuk u. Gummi, 3, 355, 398, 439 A950).
24. W. J. Lyons, M. L. Nelson, С. М. Conrad, India Rubb.
World, 114, 213 A946); V/. J. L у о n s, Textile Res. J о u г п.,
20, 654 A950); Rubb. Age (New York),, 68, № 5, 567 A951); J. O.
Wood Trans. IRI, 32, 1 A956); E. L. Borg, Rubb. World, 137,
723 A948); Textil. Res. J., 20,654A950); R. Guyot, Rev. Gen.
Caout., 35, 1349 A958).
25. E. R. Gardner, P. L. W і 1 1 a m s, Trans. IRI, 24, 284 A949).
26. В. Е. Б а с и и, Каучук и резина, № 6, 36 A957).
404 Гл. VI. Опредгл. прочности связи резин в статич. и динамич. условиях
27. Rubb. Age (New York), 58, 71 A945); R. T h о m a n, H. H. Gillman,
Trans. IRI, 25, 105 A949).
28. Dr. Ph. Schidrowitz, India Rubb. J., 121, 684 A951).
29. A. L. Miller, S. B. Robinson, Rubb. World, 137, 397 A957).
30. H. Luttropp, Plaste u. Kautschuk, № 8, 173; № 9, 206 A956).
31. ГОСТ 209—62. Определение прочности связи резины с металлом методом
отрыва.
32. ГОСТ 410—41. Определение прочности связи резины с металлом при сдвиге.
33. ГОСТ 411—41. Определение прочности связи резины с металлом при от-
слаиванни.
34. М. А. Ц ы д з и к, С. А. Иванова, А. И. Л у к о м с к а я,
Т. Н. Басаргина, А. Д. Пояркова, Труды НИИШП,
сб. 4, Госхимиздат, 1957, стр. 126.
35. А. И. Л у к о м с к а я, П. Н. Орловский, С. Б. Мережай-
н ы й, А. Ф. С т у к а л о в а, Каучук и резина, № 4, 36 A961).
36. Steel, 118, № 15, 100, 108, ПО A946).
37. Army—Navy, Civil Committee on. Aircraft Design Criteria: Wood Aircraft
Inspection and Fabrication ANC-19 A943).
38. С. С. Jackson, «Jointh-Lap, Efficiency, Graphical Study of Physical
Factors», Chrysler Engineering Laboratories, Rep., № 4904, 1948.
39. С. Л. Талмуд, В. Александрова, Ж. резни, пром., №11,
1014 A935).
40. ASTM D429—56Т. Tentative Methods of Test for Adhesion of vulcanized
rubber to metal.
41. M. Ф a p б e p о в, А. Горина, Ж. резин, пром., № 8—9, 900 A936).
42. Th. A. W е г к е п t h i n, Rubb. Age (New York), 66, 45 A949).
43. ISO/TC 45 (Secretariat-303), 443, July, 1959; ISO/TC 45 (Secretariat-
356), 517, February, 1960.
44. ISO/TC 45 (Secretariat-304), 444, July, 1959; ISO/TC 45 (Secretariat-354),
515, February, 1960.
45. ISO/TC 45. Rubber to metal adhesion shear test pieces (Submitted by the
Italien Delegation).
46. Г. H. Б у й к о, Н. П. 3 и н ч е н к о, Каучук и резина, № 4, 27 A960).
47. И. А. Левитин, Ю. Г. К о р а б л е в, А. Е. К о р н е в, Б. Л.
Бабицкий, в сб. «Прочность связи между элементами
резинотканевых многослойных изделий в производстве и эксплуатации»,
Госхимиздат, 1956, стр. 173.
48. М. М. Р є з н и к о в с к и й, в сб. «Прочность связи между элементами
резино-тканевых многослойных изделий в производстве и эксплуатации»,
Госхимиздат, 1956, стр. 166.
49. В. А. П и н е г н н, С. А. Васильев, Л. М. К е п е р ш а, в сб.
«Прочность связи между элементами резино-тканевых многослойных
изделий в производстве и эксплуатации», Госхимиздат, 1956, стр. 87.
50. М. А. Ц ы д з и к, Материалы научно-технической конференции 1950 г.
по усовершенствованию и стандартизации методов
физико-механических исследований и испытаний каучука н резины, Госхимиздат. 1951.
51. ASTM D430—57Т. Tentative Methods of Dynamic testing for ply separation
and cracking of rubber products.
52. W. A. Gibbons, Ind. Eng. Chem., Anal. Ed., 2, 99A930); W. L. Stur-
t e v a n t, India Rubb. World, 83, 67 A930).
53. Rubb. Age (New York), 26, 542 A930).
54. A. M. Neal, A. J. N о r t h a m, Ind. Eng. Chem., 23, 1449 A931).
55. ГОСТ 9981—62. Резина. Метод испытания модельных образцов и образцов
из шин на многократный сдвиг.
56. W. J. Lyons, Anai Chem., 23, 1255 A951).
Литература 405
57. G. A. Pittman, Е. R. Т h о г n 1 е у, Trans. IRI, 25, 116 A949);
Rubb. Chem. Techno!., 23, 921 A950).
58. D. W. Sear, Canadian Chem. Proc, 40, 10 A956); R. W. R є і n с h a r d,
J. Chem. Educ, 31, 128 A954); A. R і v a t-L a h о u s s e, Ind. Plast.
Mod., 7, 37 A955); R. G u у о t, Rev. Gen. Caout., 35, 1349 A958).
59. J. M. Buist, W. J. S. Naunton, Trans. IRI, 25, 378 A950); Rubb.
Chem. Techno!., 23, 945 A950).
60. M. К. Хромов, M. M. P є з и и к о в с к и й, К. Н.
Лазарева, Каучук и резина, № 6, 27 A962).
Глава VII
ИСПЫТАНИЯ РЕЗИНЫ НА СТАРЕНИЕ
Под техническим термином «старение резины» понимается
самопроизвольное необратимое изменение ее свойств,
наблюдающееся при хранении и эксплуатации резиновых изделий, под
воздействием немеханическнх факторов. Причинами старения
являются свет, тепло, кислород, озон и другие воздействия1,
вызывающие химические реакции окисления и целый ряд
необратимых изменений каучуковой основы резины, в которых при
нимают участие почти все ингредиенты, входящие в ее состав.
Механические напряжения могут активировать химические
реакции6; разрушение резины при механическом разрыве
молекул сопровождается возникновением свободных радикалов7,
инициирующих цепные реакции, которые могут приводить к
глубоким изменениям структуры резины.
Действие различных факторов, вызывающих старение, не
одинаково как по интенсивности, так и по характеру.
Озонное растрескивание наблюдается только при таких
видах деформации, в которых имеется, как составляющая,
растяжение. Тепло и свет активируют озонное растрескивание.
Реакции с кислородом при повышенных температурах и освещении
ускоряются, однако старение происходит и в инертных средах
(азот, аргон) под воздействием одного только тепла или све-
та1, 5, 8, 9
Старение каучуков и резин можно оценить как
механическими, так и целым рядом химических и физико-химических
методов1. Однако самыми распространенными, отличающимися
наибольшей простотой и чувствительностью, являются
механические методы.
Следует отметить, что большинство резиновых изделий при
эксплуатации находится в напряженном состоянии.
В связи с указанным очевидно, что трудно провести резкую
грань между процессами старения и утомления резин*.
Имеется тенденция1'4 применять методы старения, по
возможности наиболее полно соответствующие интересующим усло-
* Более детально этот вопрос разбирается Ю. С. Зуевым20- 2а,
рассматривающим коррозионное разрушение (в том числе озонное растрескивание) как
частный случай статической усталости.
Испытания резины на старение 407
виям хранения или эксплуатации резиновых изделий. Однако в
большинстве случаев не удается создать такие испытания,
которые полностью имитировали бы совокупность всех воздействий в
эксплуатации.
Поэтому важнейшим требованием, предъявляемым к
методам испытания резины на старение1'4, является обеспечение
возможности четкого выделения влияния каждого из факторов
старения в отдельности. Это необходимо, прежде всего, для
регулирования процессов старения путем соответствующего
подбора рецептуры резины.
Различают следующие основные методы старения: 1)
тепловое*; 2) световое и 3) озонное. Кроме того, применяется старение
в агрессивных средах, которое, являясь специальным видом
испытания, в данной книге не рассматривается.
Из комбинированных видов старения наиболее изучено и
нашло широкое распространение свето-озонное старение.
Иногда легко установить, какой из факторов старения
является основным при хранении или эксплуатации. Например,
хранение изделий в закрытом темном помещении связано главным
образом с тепловым старением. В этих случаях оба требования
(выделение влияния каждого из факторов старения в
отдельности и воспроизведение условий хранения) удовлетворяются в
одном методе.
На практике для испытаний на старение пользуются как
естественными, так и искусственными (специально создаваемыми)
условиями старения. Естественные условия — это условия,
которые специально не создаются и в которых факторы старения
не регламентируются. Факторы воздействия, определяющие
условия старения, в случае искусственного старения могут быть
существенно интенсифицированы (испытания ускорены).
Имитируя старение искусственным путем, можно ограничиться
только унификацией условий испытания, не усиливая
существенно факторов воздействия. Обычно для атмосферного старения
выбирают условия, соответствующие весенне-летнему времени
года; при этом иногда могут несколько интенсифицировать
воздействие температуры, света, влаги и озона. При естественном
старении, отвечающем хранению изделий в складских помеще-
* С одной стороны, установлено, что основным фактором старения при
тепловом воздействии в отсутствие деформаций является кислород; поэтому
к тепловому старению относят также изменение свойств резины,
происходящее при комнатной температуре, поскольку оно является в основном
окислительным процессом. С другой стороны, тепло само по себе является фактором
воздействия; так, например, в атмосфере инертного газа при повышенной
температуре происходит старение резины, которое, по существу, и является
тепловым старением в чистом виде.
408 Гл. VII. Испытания резины на старение
ниях, используют затемненные закрытые «шкафы»
определенного объема, в которых поддерживается комнатная
температура.
Методы естественного старения наиболее соответствуют
условиям хранения и эксплуатации резиновых изделий; в то же
время они обычно длительны, поэтому приходится прибегать
к их ускорению. Ускорение, однако, должно проводиться с
таким расчетом, чтобы не изменить существенно механизм
старения.
1. МЕТОДЫ ЕСТЕСТВЕННОГО СТАРЕНИЯ
Стандартизованные в СССР10 методы естественного старения
в так называемом шкафу и на открытом воздухе
предусмотрены в основном для оценки способности резин к хранению.
Шкаф для старения резин плотно закрывается и защищает
находящиеся в нем образцы резины от доступа света. Образцы
в виде двусторонних лопаток, имеющих форму и размеры в
соответствии с ГОСТ 270—53, подвешиваются в ряды. Расстояние
между образцами в ряду должно быть не менее 3 мм, а между
соседними рядами — не менее 20 мм. Температура воздуха в
шкафу должна быть 20±5 °С и относительная влажность
65+10%.
При хранении резины, помимо окисления и других
химических изменений, может происходить выделение (выцветание)
некоторых ингредиентов на поверхности и целый ряд
необратимых структурных изменений, приводящих, главным образом, к
затвердеванию, потере эластичности.
При старении на открытом воздухе в атмосферных
условиях по ГОСТ 271—5310 образцы в виде двусторонних лопаток
выдерживаются в вертикально подвешенном состоянии. При
этом виде испытания условия существенно меняются в
зависимости от времени года, местности; помимо того, они довольно
неопределенны для одного и того же времени года и на одном
и том же участке испытания.
При этом, так как образцы не закреплены, а висят
свободно11, часть из них экспонируется ребром к солнцу, часть —
плоской поверхностью или занимает промежуточное положение.
Это приводит к различным результатам старения.
Условия экспозиции отличаются также по величине
радиации, действующей на образцы, поскольку не стандартизована
поверхность площадки для экспозиции (используется и крыша,
и песок, и трава, и снег и т. д.).
Необходимо11 изменить ГОСТ 271—53, предусмотрев
экспозицию образцов, закрепленных в нескольких местах с помощью
нержавеющих материалов при расположении под углом к гори-
1. Методы естественного старения 409
зонту, равным географической широте места, на площадках,
которые стандартизованы для метеорологических станций.
Экспозиция образцов под углом 45° к горизонту, как это
предусмотрено ASTM D1171—57 Т12, не дает наиболее жестких
условий атмосферного старения, в котором основным фактором
является солнечный свет.
Желателен контроль условий экспозиции — температуры и
влажности воздуха, интенсивности прямой и солнечной
радиации, температуры образцов, концентрации озона, а также
состава и концентрации паров различных веществ — в
индустриальных центрах, солей — на морских площадках, и содержания
пыли.
В отсутствие деформации растяжения в атмосферных
условиях резины преимущественно подвергаются световому
старению, по-разному сказывающемуся на резинах неодинакового
состава; отмечается появление жесткости, хрупкости или
липкости поверхности, поверхностных трещин, изменение окраски
резины.
При атмосферном старении образцы время от времени
осматриваются, отмечается время появления трещии, их характер и
интенсивность распределения.
После старения в шкафу (а в ряде случаев и на открытом
воздухе) определяются предел прочности и относительное
удлинение при разрыве, напряжения при заданных степенях'
деформации и другие показатели (по ГОСТ 270—53) резин и
находятся коэффициенты старения по указанным показателям как
отношение их значений после старения к соответствующим
значениям до старения*.
Методы естественного старения отличаются чрезмерной
длительностью. Так, продолжительность старения в шкафу
задается в 3, 6, 9, 12, 18 и 24 месяца.
Ускорение испытаний достигается применением небольших
растяжений образцов. Поскольку деформации не относятся к
факторам старения, выдержка растянутых образцов на
открытом воздухе, вопреки ГОСТ 271—53, должна быть названа
естественным старением.
Практикой установлено, что озон, находящийся в воздухе,
действ^-ет только на растянутые резины. Деформация сжатия,
* lie ASTMi»-16 и документам ИСО17>18, толщина образцов, подлежащих
старению, измеряется до старения, а метки рабочего участка образца
наносятся после старения. По ГОСТ10, толщина образцов измеряется перед нанесением
меток (после 6 ч «отдыха» состарившихся образцов). По DIN19, измерение
толщины, как и нанесение меток, производится до старения. Все способы в
одинаковой степени условны, хотя измерение образцов после старения в принципе
должно дать более объективное представление об их истинных рпмерах
Однако практически его труднее произвести.
410 Гл. VII. Испытания резины на старение
наоборот, служит защитой от растрескивания20. Озонному
растрескиванию подвержены резины из НК, СКВ, СКС, СКН, а
резины из бутилкаучука, неопрена, хлорсульфополиэтилена,
сополимеров этилена с пропиленом и других каучуков стойки
к нему.
По ГОСТ 271—53, образцы резины в виде двусторонних
лопаток выдерживаются на открытом воздухе при растяжении 16
или 25%. Для этого образцы закрепляются на специальных
рамках и затем устанавливаются вне помещения под углом 45° к
горизонту на юг так, чтобы образцы не заслонялись от света.
Испытание производится либо до появления трещин на
образцах и отмечаются сроки их появления*, либо задается
время старения и по показателям ГОСТ 270—53 определяются
коэффициенты старения**10.
Применение одной степени деформации неудовлетворительно
по следующим причинам. Поскольку скорость озонного
растрескивания меняется с возрастанием деформации немонотонно,
обычно для испытания выбирается область так называемой
критической деформации22, при которой озонное растрескивание
происходит наиболее быстро. Однако при переходе к новой
рецептуре резин может потребоваться существенное изменение
этой области; поэтому нельзя производить сопоставление разных
резин при какой-либо одной степени деформации, а надо
применять довольно широкий диапазон растяжений (от 5 до 80%).
Это может быть достигнуто либо испытанием одного образца,
в разных частях которого имеется разная деформация
(образцы в виде двусторонних лопаток, двойного клина и спирали),
либо испытанием серии образцов в виде прямоугольных
полосок, имеющих более однородную деформацию; в последнем
случае образцы испытываются при разных деформациях.
Применяя неоднородную деформацию, создают таким образом в
образце набор различных степеней растяжения, в связи с чем
имеется большая вероятность попасть на степень растяжения, при
которой наиболее интенсивно воздействие озона. Однако и в
этом случае разные резины поставлены не в одинаковые
условия озонного старения из-за взаимного влияния процессов,
протекающих по-разному на участках разной деформации. Поэтому
образцы в виде двусторонних лопаток, двойного клина и
спирали, имеющие разную деформацию в разных частях, хуже,
чем прямоугольные образцы-полоски.
После длительной экспозиции в различных атмосферных
условиях свойства резин изменяются не только необратимо (ре-
* При этом, помимо фиксирования момента появления трещин, часто
следят за дальнейшим разрастанием трещин во времени21.
** Применяется2 также изгиб (в виде петель) образцов-полосок.
2. Методы искусственного старения 411
зины старятся), но и обратимо (например, от действия влаги
воздуха). То же касается и других видов старения. Поэтому,
если после старения образцы подвергаются механическим
испытаниям, их необходимо кондиционировать (нормализовать),т. е.
выдержать при определенной влажности и температуре.
В ГОСТ 271—53 указаны только температура A5—25°С) и
время F ч) выдержки («отдыха») перед испытанием образцов,
подвергавшихся ускоренному старению. По ГОСТ 269—53,
испытания всех образцов производятся при 20±5°С. Однако
указания о влажности помещения для «отдыха» и испытания из
ГОСТ 269—53 (при пересмотре ГОСТ 269—41) изъяты.
По стандартам США, существует несколько способов
нормализации в зависимости от материала (резиновый, резино-ткане-
вый) и его толщины. Так, резино-тканевые материалы
кондиционируются 24 ч при температуре 21±1°С и относительной
влажности Є5±2%, а резины — при температуре 23±2°С и
относительной влажности 50±2%.
Существовало мнение, что изменение влажности не влияет
на физико-механические показатели резины. Для ткани, а
следовательно, и резино-тканевых образцов это не так, так же как
и для резин после длительного старения. Следует учесть
необходимость кондиционирования и испытания образцов при
регламентированной влажности в помещении.
2. МЕТОДЫ ИСКУССТВЕННОГО СТАРЕНИЯ
Ускоренное тепловое старение
Под ускоренным тепловым старением понимается
необратимое самопроизвольное изменение свойств резины при
повышенных температурах в отсутствие света.
Рассмотрим методы старения ненапряженных резин.
Когда тепловое старение происходит на воздухе, одной из
основных причин изменения свойств старящегося материала
является кислород. Однако старение резин может происходить
и в бескислородной среде, под воздействием одного тепла,
правда, существенно более медленно, чем в кислороде или на
воздухе.
Стандартами предусмотрено определение показателей
материала после старения, как и исходного материала, при
температурах 20±5сС Есть, однако, указания23, что все показатели
целесообразнее находить при тех температурах, при которых
производится старение*.
* Поскольку результаты старения оцениваются по необратимому
изменению исходных свойств, по-видимому, безразлично, какие выбираются
температуры, лишь бы они были одинаковы при испытании до и после старения.
412 Гл. VII. Испытания резины на старение
Коэффициенты теплового старения, помимо состава
испытуемой резины и условий старения, зависят от выбора
показателей, изменение которых должно служить критерием
старения. Стандартизованными10 показателями являются
напряжения при заданных удлинениях, предел прочности и
относительное удлинение при разрыве, определяемые по ГОСТ
270—53.
Иногда коэффициенты старения, найденные по стандартным
показателям, недостаточно эффективно отображают ухудшение
свойств резины, имеющее место на практике. Коэффициенты
старения следовало бы находить и по тем механическим
свойствам, которые существенны при эксплуатации резин в изделиях
(определяют выход из строя тех изделий, для которых
предназначена испытуемая резинаJ4.
Стандартизованный в СССР метод10 ускоренного старения
в воздушном термостате является одним из вариантов
старейшего метода старения в так называемой печи Гира25,
применяемого во всех странах14'17-19.26-28.
Образцы в виде двусторонних лопаток выдерживаются в
воздушном термостате при температуре 70±2сС или 100±2°С в
течение 24, 48, 72, 96, 144 или 240 ч.
Обычно для резин из НК применяются температура 70°С
и время старения 72 ч, а для резин из каучуков типа СКВ и
СКС-30— 100 °С и 48 ч29-34.
При старении в термостатах колебания температуры ±2 °С
дают ошибку в определении скорости старения до 35%. В
стандарте США допускаются колебания температур ± 1 °С, однако
их необходимо уменьшить до ±0,5°С34. Температура должна
поддерживаться постоянной во времени и равномерно
распределяться по всему пространству (где находятся образцы).
Следует избегать перегревов у стенок термостата (в местах
расположения нагревателей). Для этого должно быть обеспечено
тщательное перемешивание обогревательной среды (воздуха, газа,
жидкости). Указывается, что наиболее равномерный обогрев
получается при оптимальном объеме термостата в пределах от
305X305X305 мм3 до 915X15X1200 мм3. Обычно старение в
жидких обогревательных средах не производится, так как
резина может набухать и, кроме того, из нее происходит
экстракция ряда ингредиентов.
В воздушных термостатах целесообразно регламентировать
обмен воздуха, т. е. замену его свежими порциями
предварительно нагретого ізоздуха, что особенно важно при выделении
резинами летучих продуктов старения. Обмен воздуха
отсутствует в печи Гира и целом ряде термостатов, а также не
предусмотрен ни в стандарте США14, ни в ГОСТ 271—53,
2. Методы искусственного старения 413
Результаты старения, по ASTM, оцениваются не
коэффициентами старения, а процентным отношением изменения
выбранного показателя после старения А к его начальному
значению (до старения) О: процент изменения равен —q— 100.
Последний способ выражения результатов «нагляднее», так как
отношение —q— • 100 тем больше, чем больше степень
изменения.
Необходимо подчеркнуть, что сильное размешивание
воздуха, обеспечивающее равномерность распределения температур,
приводит к усилению нежелательного явления переноса
летучих ингредиентов от одной резины к другой, вследствие чего
становится невозможным одновременное старение образцов из
разных резин, особенно если резины чувствительны к
воздействиям ПОСТОРОННИХ ПРОДУКТОВ, ВЫДеЛЯЮЩИХСЯ при СТаре-
^ 33-35 Поэтому, например, резины, содержащие большее
1
количество серы14, не должны стариться вместе с резинами с
малым количеством серы. Для исключения «заражения» резин
разработаны16'18'34'36'37 методы старения резин в отдельных
ячейках (секциях) с размешиванием и обменом воздуха
(последний приводит к удалению выделяемых резиной продуктов),
а также старения в трубках без размешивания, но с
конвекционным обменом воздуха.
На рис. 225 показан ячеистый термостат (по ASTM E95—
52Т36). В вертикальных цилиндрических ячейках 1 диаметром
не менее 60 им и длиной 300 мм вертикально подвешиваются
старящиеся образцы 2 так, чтобы они не изгибались, не
касались друг друга и стенок термостата и занимали не более 90%
поперечного сечения ячейки. В ячейки снизу через осушитель 8,
редукционный вентиль 7, по воздушной линии 6, с указателем
скорости 4, через змеевик 13 для предварительного нагрева
нагнетается воздух со скоростью 20—250 см/мин. Змеевик 13
расположен в термостате 12.
Температура поддерживается с точностью ± 1 °С в пределах
от 50 до 175 °С. Воздух выходит через отверстия 9 в ячейках.
На рис. 226 показаны стеклянные трубки для теплового
старения (по ASTM D865—57). Они имеют длину 300 мм и
диаметр 38 мм. Трубки равномерно обогреваются в масляной или
водяной бане. В каждой трубке размещается-не более трех
образцов в вертикальном положении, по возможности ближе ко
дну и не касаясь друг друга и стенок. В пробке имеются
входные трубки для конвекции воздуха.
Отношение рабочего объема термостата, трубки или ячейки
к объему образцов не должно превышать 30:1, при этом кон-
Гл. VII. Испытания резины на старение
векционный обмен воздуха в трубках не вызывает существен-
34
как
ной миграции продуктов старения и ингредиентов резиньг
это имеет место в ячейках.
Помимо повышения температуры, старение резин ускоряют
за счет повышения концентрации кислорода, что достигается ис-
Рис. 225. Термостат с ячейками для
теплового старения (по ASTM Е95—52Т):
/—ячейки; 2—образцы; 3—уровень жидкости (масла);
4—указатель скорости течения; 5—мешалка;
6—воздушная линия: 7—редукционный вентиль;
8—осушитель; 9—отверстия; /0—нагреватель; //—изоляция;
12—термостат; 13—змеевик для предварительного
иагрева воздуха.
<PJ8
Рис. 226. Трубки для
теплового старения (по
ASTM D865—57).
2. Методы искусственного старения
415
пытанием в воздухе под давлением15, а также в кислородной
среде под давлением — в так называемой бомбе Бирера и
Дэвиса38-13.
Скорость химической реакции, однако, возрастает
пропорционально концентрации, а от температуры зависит
экспоненциально, поэтому наиболее существенным фактором ускорения
является температура33'39~41.
На рис. 227 изображена бомба Бирера-Дэвиса. Внутри
стальной бомбы / подвешены образцы 12 на крючках, в лоряд-
Рис. 227. Бсмбл Бнрера—Девиса для старения
в среде кислорода:
1—бомба; 2—водная баня; 3—нагреватель; 4—подставка —
основание; 5, в— выключатели; 7—терморегулятор;
8—крышка; 9—болты; 10—термометр; 11—трубка от
баллона с кислородом; 12—образцы; /,?-—подвеска с
крючками.
ке, как показано на подзеске 13. Бомба плотно закрывается
крышкой 8 с ломощью болтов 9 и помещается з водяную баню
2, находящуюся на основании 4.
Нагреватель 3 бомбы — электрический. Нагротая вода
перемешивается. Температура регулируется терморегулятором 7.
Испытания производятся при 70°С и давлении кислорода,
поступающего из баллона по трубке //, 16—19 ат.
В воздушной бомбе15 дается давление 5,6 ат и
температура 127 °С.
Использование воздушной бомбы, по-видимому, проще и
при соответствующем повышении температуры не менее
эффективно, чем кислородной. Однако влияние кислорода в чистом
виде целесообразнее изучать в кислородной среде.
416
Гл. VII. Испытания резины на старение
При эксплуатации различных изделий нередко бывает так,
что резина мало или почти не соприкасается с воздухом.
Например, кислород почти не проникает в толщу резиновых
массивных изделий.
Тепловое старение без доступа воздуха может быть
проведено в бомбе в среде азота или другого инертного газа42.
На рис. 228 показана
установка для старения в среде
инертного газа.
Герметично закрывающийся
сосуд 4 помещается >в
глицериновую баню или ультратермостат 3,
установленный на плите 6.
Посредством латунной трубки 5 че-
•рез вентиль и редуктор 8 от бал-
лона подается инертный газ, дав-
ление которого определяется по
манометру 7. Перемешивание
глицерина (обогревательной
жидкости) производится от
пропеллерной мешалки 2 с мотором 1.
Конструктивные отличия этой
установки от кислородной бомбы
вытекают из условий испытания:
более высокие температуры
(возможность применения для обогрева жидкостей, которые в
присутствии кислорода оказались бы взрывоопасными), более
низкие давления газа (применение сосуда вместо бомбы), более
компактные размеры.
Следует указать, что кислородная бомба, по правилам
техники безопасности, должна устанавливаться в отдельном
помещении, чего не требуется от нижеописываемой
установки.
В последние годы развитие методов теплового старения идет еще в одном
направлении. Старение стремятся характеризовать количеством поглощенного
кислорода").
Оценка поглощения кислорода производится различными
немеханическими методами (гравиметрическим, манометрическим, волюметрическим,
путем поглощения летучих продуктов окисления, электрометрическим
способом и т. п.44).
Для ряда резин найдено хорошее соответствие между степенью изменения
при термоокислении таких механических показателей, как модуль, и
количеством поглощенного кислорода29- ****. Имеется также корреляция между
сопротивлением естественному старению и количеством поглощенного
кислорода47. Однако влияние одного и того же количества кислорода неодинаково
для различных полимеров, поэтому о степени изменения механических свойств
по количеству поглощенного кислорода можно судить только качественно.
Вообще же эти методы здесь не рассматриваются как немеханические.
Рис. 228. Установка для старения
в среде инертного газа:
1—мотор: г—мешалка: 5—глицериновая
баня; 4—сосуд; 5—латунная трубка; 6—
плита; 7—манометр; 8—редуктор.
2. Методы искусственного старения 417
Характеризуя разброс показателей испытаний при
ускоренном тепловом старении, прежде всего необходимо отметить его
резкую зависимость от состава испытуемой резины и
длительности ее старения. Чго касается различных методов, то при
старении к разбросу показателей, свойственному тому или
иному методу определения механических свойств, который
используется для сравнения исходного и состарившегося материла,
добавляется разброс, связанный с условиями старения.
Последний может оказаться основным фактором, определяющим
суммарный разброс.
В Табл. 12 указаны коэффициенты вариации31 резин на
основе различных каучуков при старении в кислородной
бомбе при 70 °С в течение 2 суток.
Таблица 12
Коэффициенты вариации по пределу прочности
при растяжении после старения в кислородной бомбе
Резина на основе
каучука
Смокед-шитс . . .
Неопрен
СКБ
БСК
Нерастянутые
образцы
0,20
0,06
0,09
0,10
Растянутые
образцы
0,18
0,09
0,13
0,14
О степени старения целесообразно судить не только по
изменению нагрузок при заданных удлинениях, пределу прочно
сти и относительному удлинению при разрыве, но и ряду
других характеристик механических свойств, как, например, по
динамическим упруго-гистерезисным свойствам, важным для
оценки резиновых изделий типа шин, приводных ремней и т. п.
Методы ускоренного теплового старения резин в
напряженном состоянии483 частично были рассмотрены в главе II при
описании статических испытаний на остаточную деформацию,
ползучесть и релаксацию напряжения. К ним же следует
отнести динамические испытания на усталостную выносливость,
если они проводятся в среде кислорода, при относительно
небольших амплитудах и частотах.
Как показывает опыт1' 2> 31>50, тепловое старение
деформированных резин дает качественно иные результаты, чем
старение резин в свободном состоянии.
Ускоренное световое старение
Световое старение производят не столько для выяснения
стабильности механических свойств резины, сколько для
определения стойкости ее окраски при освещении54'55.
27—2406
418 Гл. VII. Испытания резины на старение
Ускорение атмосферного светового старения может быть
достигнуто двумя путями: 1) воспроизведением круглосуточного
летнего дня, или иначе — наиболее жестких естественных
условий старения; 2) интенсификацией воздействия одного из
факторов старения. Кроме того ускорение светового старения
достигается, например, путем применения тонких образцов @,1—
0,3 мм)ъъ.
Ускоренное световое старение в точности не может
воспроизвести атмосферное старение резин даже при экстраполяции
результатов на естественные условия, поскольку старение на
открытом воздухе по-разному протекает в зависимости от
климата; кроме того, действию света сопутствует влияние
температуры и влажности.
Основной проблемой испытания на световое старение
является трудность воспроизведения солнечного света57. Солнечный
свет, проходящий через атмосферу, содержит лучи с длиной
волны больше 2900 А. Из существующих в настоящее время
источников света спектр, наиболее близкий к солнечному, дают
криптоновые и ксеноновые лампы. Они характеризуются
малой мощностью, сложной системой зажигания и взрывоопас-
ностью. К так называемым солнечным лампам относятся
угольные дуговые и ртутно-вольфрамовые. Оба типа ламп имеют
свои недостатки; особенно неудобен первый тип, который
нестабилен в работе и дает более интенсивные полосы в
ультрафиолетовом спектре.
Применение ламп, дающих излучение, отличное от
солнечного света, приводит к иным фотохимическим реакциям при
старении резины. Кроме того, при работе с искуственными
источниками света может образовываться озон, вызывающий
дополнительные нежелательные реакции58. Этого следует избегать,
поскольку важно дифференцировать действие света и озона.
Чтобы приблизить спектральный состав источников света к
солнечному излучению, применяются специальные светофильт
ры, не пропускающие свет с длиной волны короче 2900 А8'59.
Общая схема прибора Зуева и Кузьминского для
исследования светового старения56 (типа наклонного релаксометра)
изображена на рис. 229.
Старение может быть оценено как по релаксации
напряжения, так и по деформации ползучести.
Образец 11 установлен в неподвижном зажиме 9, укрепленном в
притертой пробке і? кварцевой трубки релаксометра 1, и в зажиме 2, передвигающемся
на тележке 4 с грузами; тележка может перемещаться по рельсам 10, к ней
прикреплена микрофотошкала 15; масса тележки 10,5 г. Повотором угла наклона
трубки 7 изменяют напряжение в образце. Используются56углы 9, 12 н 20°,
соответствующие нагрузкам 1,65; 2,15 и 3,552 гс. Трубка 1 закреплена на тео-
2. Методы искусственного старения
419
долитном столике 12 и имеет двойную рубашку для циркуляции
обогревательной жидкости от насоса 7. Там же установлены вибратор 14, ртутно-кварцевая
лампа З (ПРК-2), кожух 5 для защиты глаз от света, уровень 13, труба для
наблюдения 16 и осветитель 17.
В кожухе имеется кассета 6 для светофильтра. Последний представляет
собой стекло пирекс, поглощающее лучи длиной волны меньше 2900 A.
Pjjc. 229. Релаксометр с наклонной тележкой
для светового старения:
і—трубка; 2, 9—зажимы; 3—ртутно-кварцевая лампа;
4—тележка с грузами; 5—кожух; 6—кассета для
светофильтра; 7—насос; 8—пробка; 10—рельсы; //—образец;
12—столик; 13—ватерпас; 14—вибратор; 15—микрофото-
шкала; IS, 17—труба для наблюдения и осветитель.
Аппараты искусственной погоды
Результаты старения на открытом воздухе существенно
зависят от климата местности, где производится испытание, и от
погоды, установившейся на данный период времени испытаний.
Для исключения неопределенности условий атмосферного
старения заменяют его искусственным603 световым старением
либо пользуются аппаратами для старения с
регламентированными условиями искусственной погоды (так называемыми везе-
рометрами, или погодомерамиO-54>64-67, где помимо действия
света, предусмотрено орошение резиновых образцов при
стабильных температуре и влажности.
Искусственное старение в везерометрах отличается от
естественного атмосферного строгой определенностью условий. Эти
условия не совсем соответствуют естественным, например, по
спектральному составу света54. Обычно старение несколько ус-
27*
420
Гл. VII. Испытания резины на старение
коряется, поскольку действуют ультрафиолетовые лучи. Кроме
того, может применяться повышенная температура.
Регламентация условий старения — положительная черта
метода, поскольку способствует получению воспроизводимых
условий старения. Несоответствие состава света солнечному —
недостаток метода.
Рис. 230. Прибор с ксеноновой лампой для
светового старения (ксенотест):
/—держатели; 2—ксеноновая лампа; 3—кожух; 4—регулировочное
устройство; 5—змеевик; 6—мотор; 7—резервуар;
8—предохранительный клапан; 9— магнитный клапан, контролируемый
синхронным мотором с кривошипом; 10—магнитный клапан,
контролируемый контактным гигрометром; //—отверстия.
Один из везерометров — ксенотест66 схематически
изображен на рис. 230.
Образцы в количестве 20 шт'. устанавливаются в
держателях / вокруг ксеноновой лампы 2, находящейся в стеклянном
кожухе 3, охлаждаемом водой. Установка образцов на
держателях может осуществляться с двух сторон; поскольку
держатели могут поворачиваться к лампе то одной, то другой
стороной, действие света периодическое. Также периодически
действует на образцы орошение, осуществляемое разбрызгиванием
2. Методы искусственного старения 421
дистиллировакной воды через отверстия // под давлением
воздуха 2 ат, вытесняющего воду из резервуара 7. Скорость
потребления воды составляет 1—1,5 л/мин. Температура воды
должна составлять 20°С. Вода охлаждается в змеевике 5 и
прогоняется в кожух 3 касосом с мотором. Потребление воды
регулируется специальным устройством 4, связанным с
электрическим контуром.
Можно регламентировать время и частоту орошения,
например, орошая через полчаса по 5, 10 и 15 мин. Электрически
регулируются не только циклы орошения, но и освещение, влаж
ность и другие параметры прибора.
Согласно документу ИСО68, предлагается выдерживать
образцы в ксенотесте при температурах от 20 до 100сС,
влажности от 0 до 100% и при различных расстояниях от источника
света (что меняет интенсивность радиации, попадающей на
образцы).
Свето-озонное старение
В установках для свето-озонного старения комбинируют
источники света и озона, достигая этим постоянства условий
испытания и существенного его ускорения.
Комбинирование условий старения может быть сложное;
так, наряду со светом и озоном применяется тепловое
воздействие.
Свето-озонное старение, как и озонное, оценивают временем
до появления видимых на глаз трещин, изменением цвета
поверхности (либо визуально, путем сравнения с эталонами, ли
бо путем определения спектров поглощения и отраженияN9, а
также изменением механических свойств, например по спаду
напряжения в образцах за счет их растрескивания70.
На рис. 231 показана установка для свето-озонного
старения4' 8-71.
Воздух засасывается из атмосферы через колонки 6 с
хлористым кальцием (СаС12), поглотительный фильтр 5, ротаметр 2
и направляется в разрядник 20, где образуется озон. Разрядник
питается напряжением от сети через стабилизатор напряжения
4 и трансформатор 3. Из разрядной трубки озонированный
воздух засасывается вакуум-насосом 18 в испытательную
камеру 10.
Камера находится в водяной охладительной рубашке /.
В центре камеры размещена ртутно-кварцевая лампа 8 со
светофильтром 7 из жароупорного стекла пирекс, не
пропускающим лучи длиной волны меньше 2900 А. В откидной крышке
камеры имеются смотровые окна 9 (против каждой кассеты 11
422
Гл. VII. Испытания резины на старение
с образцами). Лампа находится внутри кварцевого
холодильника, где циркулирует охлажденная вода, подаваемая
нагнетательным насосом 19. Озон из камеры отводится по трубке 13.
поступая через систему трехходовых кранов либо в трубку 12
для каталитического разложения озона, либо в колбу 4 с
йодистым калием (KJ) для отбора проб при анализе концентрации
озона. Поступая в ротаметр 15, воздух проходит через кран 16
для регулирования скорости и ресивер 17.
Воздух
8 ff
Bodo.
Рис. 231. Установка для свето-озонного старения71:
/-—охладительная рубашка; 2, 15—ротаметры; 3—трансформатор;
4—стабилизатор напряжения; 5—поглотительный фильтр; ff—колонки; 7—светофильтр;
8—лампа; 9—смотровые окна; /О—камера; 11—кассеты; 12, /Л—трубки; 14—
колба; 16—кран; 17—ресивер; 18—вакуум-насос; 19—нагнетательный насос;
20—разрядник.
На описанной установке, в отличие от зарубежных, можно
производить испытания при разных концентрациях озона, что
позволяет применить количественный экстраполяционный метод
оценки старения.
На рис. 232 представлены зависимости времени до
появления трещин8 от концентрации озона при освещении и без
освещения на резинах из натурального и дивинил-стирольного кау-
чуков. Подобные же зависимости наблюдаются для резин на
основе натрий-бутадиенового и других каучуксв. Как видно из
рис. 232, зависимости от концентрации озона могут быть
экстраполированы на концентрации, равные средней атмосферной
2. Методы искусственного старения
423
B—4-1О-6О/о), и таким образом определены времена
растрескивания при атмосферном старении. Свет ускоряет действие
озона; при этом действие света проявляется тем сильнее, чем
меньше* концентрация озона, т. е, в условиях, близких к
атмосферному старению. Это указывает на необходимость
комбинированного испытания на све-
то-озонное старение. ю"
Озонное старение
Существуют два способа
определения сопротивления
¦озонному растрескиванию. По
первому способу при
испытании применяются близкие к
атмосферным малые
концентрации озона72. Это создает
условия, подобные
естественным, но старение протекает
очень медленно, что снижает
ценность таких испытаний. По
второму способу рекомендуется
испытывать резины при
различных, в том числе больших
концентрациях озона4. Находя
зависимость времени
растрескивания от концентрации
озона, можно экстраполировать ее
к малым концентрациям,
определяя времена растрескивания
резин в естественных условиях. Получается удовлетворительное
совпадение данных, найденных экстраполяцией, и результатов
естественного старения.
Подобное испытание при различных и более высоких
концентрациях озона существенно ускоряет получение результатов.
Кроме того, поддерживать постоянство более высоких
концентраций озона легче, чем малых.
Применяя экстраполяционные расчеты, следует, однако.
иметь в виду, что они дают более приближенные, хотя и
сравнительно быстрые результаты. Эта приближенность, в частности,
обусловлена тем, какая система координат выбрана для
экстраполяции.
Поэтому испытания при низких концентрациях озона сами
по себе необходимы для более точной и ответственной оценки
озонного старения резин, эксплуатируемых в атмосферных уело-
Ю'е Ю'6 ;'Г4 W* Ю'г JO"
Хониентрация озона, %
Рис. 232. Зависимость времени до
появления трещин от
концентрации озона:
1—без освещения на резинах из дивинил-
стирольного каучука; Уа—то же при осзе-
щении; 2—без осзещения иа резинах из
натурального каучука; 2а—то же при
освещении; 5—интерзал атмосферных
концентраций оаоиа.
424 Гл. VII. Испытания резины на старение
виях. Хотя самые достоверные сведения получаются при
естественном старении, однако последнее, полностью соответствуя
реальным условиям старения изделий, дает наибольший разброс
показателей. Для естественного старения требуются не только
длительные сроки, но и большее число испытываемых образцов.
В настоящее время приняты две характеристики озонного
растрескивания: 3) время ти, прошедшее от качала испытания
до появления первых видимых на глаз трещин73' 72; 2) времена,
за которые достигаются определенные степени растрескивания
(при использовании балльной системы74).
Степени растрескивания являются весьма условными
качественными показателями, поскольку характер растрескивания
разных резин может быть резко различен75.
Показатель ти недостаточен для представления о стойкости
резин к озону22. Найдено22, что время до разрыва растянутых
образцов (тр), находящихся под воздействием озона, изменяется
в зависимости от степени растяжения по кривой с минимумом:
в области критических деформаций (еКр) Тр имеет минимальное
значение. Что касается ти, то оно монотонно возрастает с
уменьшением деформации. Таким образом, по сравнению с ти
показатель Тр является качественно отличной характеристикой.
Кроме того, во многих изделиях время до разрыва болез
важно для определения срока их эксплуатации, чем время до
появления первых трещин.
В новом ГОСТ 6949—63 (взамен ГОСТ 6949—54)
рекомендована дополнительная характеристика озоностойкости
резин по времени до разрыва (тр).
Учитывая сложный характер зависимости т/р от степени
растяжения, необходимо применять при испытании различные
степени растяжения, в том числе и близкие к эксплуатационным.
С этой же точки зрения, нельзя рекомендовать для испытания
образцы, в которых осуществляется неоднородная деформация,
поскольку на разных участках таких образцов процесс
озонного старения идет с разной скоростью. В частности, стандартные
образцы в виде двусторонних лопаток (ГОСТ 270—53) должны
быть заменены на полосковидные, которые применяются по
ГОСТ 6949—5473 и ASTM D1149—55Т72. То же относится и к
образцам специальной формы, имеющимся в проекте
рекомендации ИСО74, которые дают при деформации «набор» степеней
растяжения.
В заключение необходимо указать, что понятие о моменте
появления трещин, являясь более количественным, чем степень
растрескивания, все-таки имеет некоторую неопределенность,
так как зависит от степени увеличения оптического прибора,
с помощью которого производится 'наблюдение. Чго касается
2. Методы искусственного старения 425
момента разрыва, то поскольку процесс растрескивания резин
разного состава протекает с различной интенсивностью и
характером, целесообразно, помимо времени до разрыва,
определять кинетику разрастания трещкн70.
Для объективной оценки кинетики растрескивания служит
измерение спада усилия в образцах из-за уменьшения сплошной
части их поперечного сечения при развитии трещин70. Такое
измерение производится на отрелаксировавших образцах. Оно
точнее и значительно удобнее, чем непосредственное определение
числа и площади поверхностных трещин, так как дает
представление о проникновении трещин в глубину материала.
Перед испытанием .в озонной камере образцы
выдерживаются в деформирозанном состоянии не менее 30 мин (по ГОСТ73),
48 ч (по проекту рекомендации ИСО) или 24 ч (по ASTM72).
Однако регламентация условий кондиционирования в ГОСТ
не предусмотрена. Соответствующие корректировки должны
быть внесены в стандарты.
При испытании концентрация озона в воздухе, по ГОСТ
6949—54, составляет 0,0015% по объему (с допустимыми
отклонениями ±0,00015%).
Стандартами США предусмотрено два вида испытаний:
1) при концентрации в пределах 0,01—0,015% (по ASTM
D470—58Т), специально для кабельных резин76, поскольку озон
образуется в больших количествах при электрических разрядах
вблизи высоковольтного электрического оборудования; 2) при
концентрации 25•10~6% по объему, близкой к атмосферной
(по ASTM Dl 149—55Т72 и проекту рекомендации ИСО74).
Выбор малой концентрации в последнем случае объясняется
стремлением создать условия, подобные естественным. Это же
в какой-то мере относится и к испытаниям кабельных резин.
Что касается концентрации, предлагаемой ГОСТ73, очевидна ее
необоснованность. В новом ГОСТ 6949—63 предусмотрены
испытания при разных концентрациях для возможности
проведения экстраполяционных расчетов.
По ГОСТ73 и ASTM72, рекомендовано растяжение образцов
на 20%. В разделе 1 настоящей главы указывались причины,
по которым применение какой-либо одной степени деформации
может привести к неправильным выводам об озоностойкости
резин. Необходимо проводить испытания при нескольких
деформациях в пределах от 5 до 80%и (учтено ГОСТ 6949—63).
То же касается температуры. Область критической деформации
смещается с изменением температуры22. По ГОСТ 269—53,
температура в помещении при испытании должна быть 25±5°С;
по ASTM72, озоиостойкие резины испытываются при 49 °С, а
нестойкие к озону—-при 32 °С. Температура также влияет на
426 Гл. VII. Испытания резины на старение
растворимость антиозонатов, что изменяет относительную
эффективность их защитного действия. Поэтому более правильно
испытать резины в том интервале температур, который
характерен для их эксплуатации.
Способы генерирования озона не всегда стандартизованы.
Это и нецелесообразно, учитывая множество вариантов и
возможности их непрерывного видоизменения и совершенствования.
Очень удобен тихоразрядный метод, обеспечивающий
сравнительно стабильную концентрацию озона, которая при наличии
соответствующих устройств может автоматически
регулироваться.
Для получения малых концентраций озона могут
использоваться ртутные кварцевые лампы после предварительной
стабилизации их излучения в первые 100 ч работы.
По высказываниям делегации Великобритании в
Международной организации по стандартизации77, озоноокислительная
аппаратура, описанная в методе ASTM DI 149—51Т, имеет ряд
недостатков (малая скорость потока озонированного воздуха,
недостаточное его перемешивание в испытательной камере и др.).
-Повышение скорости потока необходимо, чтобы выравнять
разницу в концентрациях на выходе у озонного генератора и
в камере. Эта разница возникает вследствие как поглощения
озона испытуемым материалом, так и разложения его на
стенках камеры (меньше влияют такие материалы, как стекло,
алюминий).
Поэтому важным фактором испытания является скорость
протекания озонированного воздуха. По ГОСТ — это смена
1 объема рабочей камеры за 10 мин, по проекту рекомендации
ИСО — не менее 5 объемов (обменов) в I мин.
Весьма интенсивный обмен озонированного воздуха E
обменов в минутуO4 связан с необходимостью обеспечения
постоянной и равномерной концентрации озона в объеме рабочей
камеры. Особенно это необходимо при работе с малыми
концентрациями озона. Применение вращающейся рамки с
образцами (как это предусмотрено методикой НИИШПO8 исключает,
однако, ошибки, связанные с возможным неравномерным
распределением концентрации озона и делает поэтому
необязательным столь интенсивный воздухообмен79.
В ГОСТ не оговорены условия затемнения образцов.
Испытания в полностью затемненных камерах, предложенные в
проекте рекомендации ИСО, не совсем удобны, так как
сопротивление озонному старению обычно определяется временем до
появления трещин, наблюдаемых визуально (либо с помощью
семикратно увеличивающей лупы). Выемка образцов для
осмотра связана с нарушением концентрации озона в испытатель-
2. Методы искусственного старения
427
ной камере. По-видимому, рациональнее обусловить степень
затемненности камеры с тем, чтобы выбрать такую ее
конструкцию, при которой возможно было бы наблюдать за образцами,
находящимися в озонной камере, не вынимая их.
Следует также указывать отношение поверхности
экспонируемых образцов к объему кахмеры (рекомендуется не выше
1 см2: 10 еж3).
Установка для озонного старения содержит следующие
основные узлы:
Рис. 233. Установка НИИШП для озонного старения:
/—фильтр; 2—осушитель; 3—колонки; 4, 7—реометры; 5—озонатор; 6—смесительные емкости;
в—камера; 9—колбы для реакции озона с йодистым калием; 10—поглотительная склянка;
//—ресивер; 12—вакуум-насос.
1) источник озонированного воздуха (генератор, или
озонатор); 2) линия прохождения озонированного воздуха до камеры
с озонируемыми образцами; здесь устанавливается и
измеряется скорость потока и происходит осушка воздуха и его очистка:
3) камера с испытуемыми образцами; 4) приспособления для
измерения и регулировки, концентрации озона; 5) насос для
протягивания озонированного воздуха.
За последнее время отдельные узлы установки подвергнуты
существенной модернизации71. Из реализуемых в настоящей
время мероприятий, совершенствующих работу установок,
необходимо отметить замену нагнетательных насосоз
вакуум-насосами (воздух протягивается через установку), применение
сухих элементов для поглощения влаги и очистка воздуха, замену
трубки Сименса—Бертло в тихоразрядном озонаторе, принятие
мер для предохранения озонирования частей установки (воски-
рование, применение алюминия и нержавеющей сталл),
введение вращающихся рамок с образцами, применение малых
динамических деформаций и автоматизация регулировки
концентрации озона.
Общая схема установки НИИШП78 показана на рис. 233.
428
Гл. VII. Испытания резины на старение
Воздух засасывается вакуум-насосом 12, проходит фильтр /
с активированным углем, осушители с концентрированной
серной кислотой 2 и колонки с хлористым кальцием 3. После
реометра 4 воздух разделяется на два потока. Один идет в
озонатор 5, а другой через смесительный тройник в рабочую камеру 8.
Регулировка концентрации озока достигается изменением
напряжения, дающего тихий электрический разряд, и
относительной скорости потоков чистого и озонированного воздуха с
помощью ряда параллельно
включенных емкостей 6 с од-
ноходовыми кранами и
регулирующего зажима. Скорость
воздуха измеряется
реометром 7.
После рабочей камеры
озонированный воздух проходит
поглотительную склянку 10,
ресивер // и выпускается
через вакуум-насос в атмосферу.
Для контроля концентрации
озона после отключения
рабочей камеры трехходовыми
кранами воздух направляют в
колбу 9 с 1%-ным щодным
раствором йодистого калия, при
взаимодействии с озоном,
выделяющим иод, который затем
оттитровывают тиосульфатом.
Рабочая камера устроена так, что находящаяся в ней рамка
с образцами бесконтактно (путем магнитного сцепления)
приводится во вращение со скоростью 2 об/мин от мотора
Уоррена, расположенного вне камеры.
На рис. 234 показана камера к установке НИИШП для
испытаний на многократное растяжение в среде озона.
Динамические испытания в озонной среде имеют особый
смысл. При озонировании в статических условиях на
поверхности образцов может образоваться защитная пленка из
низкомолекулярных ингредиентов резины, препятствующая реакции
озона с материалом. Динамические деформации, воздействию
которых часто на практике подвергаются резиновые изделия,
разрушают эту защитную пленку. При испытании для этой цели
достаточно дать небольшую деформацию малой частоты.
Динамическое растяжение производится (рис. 234) при
возвратно-поступательном движении диска 8 от мотора 1 с
редуктором 2 через эксцентрик 5. Образцы 6, размещенные между
Рис. 234. Установка для
динамических испытаний в озонной среде:
1—мотор: г—редуктор; 3, 8, 11. 12—диски;
4—резиновая шайбочка; J—эксцентрик; 6—
образец; 7—зажимы; 9—камера;
10—направляющие.
2. Методы искусственного старения 429
дисками 8 и //, в которых имеются соответствующие зажимы 7,
предварительно статически растягиваются. Все устройство с
образцами находится в герметичной камере 9 и периодически
поворачивается вокруг общей оси в момент, когда посредством
резиновой шайбочки 4 осуществляется фрикционная связь
между дисками 3 и 12. Этим, как указывалось выше, достигаются
одинаковые условия (по концентрации озона) для всех
образцов.
Частота динамической деформации равна 40 циклов/мин,
а амплитуда 4,4 мм (около 7%). Первая установка с малыми
динамическими деформациями описана в работе Зуева80.
В настоящее время за рубежом имеется 'несколько ее вариан-
тов8і-8з Аналогичная установка разработана также на
Московском шинном заводе84.
Озонное старение при небольших деформациях низкой
частоты может производиться также на открытом воздухе, под
действием атмосферных условий. Преимуществами такого метода
являются: возможность одновременного испытания большого
числа образцов и использование условий, реально имеющих
место при эксплуатации резиновых изделий. Установка
подобного рода для старения на открытом воздухе при динамическом
нагружении важна, например, при оценке озоносгойкости
резин для боковин покрышек шин. Недостатками метода
является то, что при таком испытании, как указывалось выше,
результаты зависят от многих нерегламентированных факторов,
связанных с погодой в данный период времени и климатическими
условиями местности, где расположена лаборатория.
Имеется тенденция85 применять более высокие степени
динамической деформации, а также повышать частоты. По
существу, такое испытание сочетает определение усталостной
выносливости и озэностойкости. Оно является сугубо
специальным. Полезность таких испытаний весьма ограничена (во
всяком случае, не выходит за рамки узкого круга резин), а вопрос
об их расширении спорен.
Схема испытательной камеры, стандартизованной в США62
для испытания с малыми концентрациями озона, представлена
на рис. 235.
Емкость испытательной камеры составляет около 170 дм3.
Рабочее пространство находится между перегородками 1 а 2
диаметром 6,1 дм на расстоянии ~ 6,1 дм друг от друга. Камера
закрыта притертой крышкой 4, имеющей регулятор тяги 3 и
небольшие дверцы для удаления образцов.
Озон генерируется внизу камеры ртутной лампой 7 при
напряжении 750 в. Ход воздуха показан пунктиром со
стрелками.
430
Гл. VII. Испытания резины на старение
ю
Для перемешивания предусмотрен вентилятор 10.
Эбонитовая трубка 6 с отверстиями диаметром 3,2 мм на расстоянии
10 см друг от друга смонтирована для отсасывания воздуха на
анализ. На рельсах 5 помещается рамка с образцами.
Рекомендуется применять в качестве материала для рамки алюминий
и все металлические поверхности покрывать fockom для
защиты от озона. Нагреватели 8 расположены внизу под
перегородкой 9.
При малых концентрациях
озона важно уметь их точно
определять, для чего необходимо,
прежде всего, гарантировать
полное поглощение озона раствором
KJ из проходящего через него
озонированного воздуха.
Устройство Крабтри и Кемпа
для непрерывного контроля
концентрации озона в потоке путем
поглощения озона буферным
"раствором K-I и реакции
выделяющегося иода с тиосульфатом
натрия показано на рис. 236,6.
Стеклянная трубка 14
диаметром 9,5 мм и длиной 100 мм
имеет внутри концентричную
трубку 15 и оканчивается на
участке 18 короткой капиллярной
трубкой основанием 1—2лш (см.
справа в увеличенном виде);
конец трубки 15 закруглен (см.
снизу справа — 17) и оканчивается
капилляром 18, который
совпадает с отверстием трубки 14.
Резиновая переходная трубка (шланг) 13 соединяет трубку 14
с нижней частью трубки 10, из которой через ротаметр //
поступает озонированный воздух. Трубка 14 входит в закрытую
склянку Вульфа 7 емкостью 1 л, а также соединена с ловушкой 9
диаметром 50 мм и длиной 100 мм. На конце ловушки имеется
утолщение 16 диаметром 38 мм, наполненное стеклянным
волокном (стружкой) и соединенное с вакуум-насосом. Буферный
раствор заливается з склянку Вульфа через свободное отверстие
(слева), засасывается в ловушку 9 через трубку 19, не
доходящую на 12,5 мм до дна склянки, и смешивается с
озонированным воздухом в капилляре на участке 18 при
распылении.
Рис. 235. Схема камеры для
испытания при малых концентрациях
озона (по ASTM D1149—55Т):
!• 2. 9— перегородки; 3—регулятор тяги;
4—крышка; 5—рельсы; 6—эбонитовая
трубка; 7—ртутная лампа; S—нагреватели;
10—вентилятор.
2. Методы искусственного старения
431
В заключение опишем метод определения степени
растрескивания образца ,по спаду условного напряжения70.
Образцы, растянутые до .постоянной деформации,
выдерживают до установления в них разновесного условного
напряжения, а затем подвергают их действию озонированного воздуха.
Ю
Рис. 236. Схема голландского метода автоматической регулировки
концентрации озона:
а—установка; б—устройство Крабтри и Кемпа; /—камера; 2—линия озонированного
воздуха; 3—скляика с Na2S2O3; 4—устройство для удержания постоянного уровня;
5—дозирующий насос для подачи Na^SzOs; 6—соленоид; 7—склянка Вульфа в устройстве
Крабтри и Кемпа; 8—электроды; У—ловушка; 10—линия вакуум-насоса; //—ротаметр;
12—озонный генератор; 13—шланг; 14, 15, IS—трубки; 16—утолщение ловушки; 17— за-
круглеиие трубки; 18—участок вхождения капиллярной трубки IS в отверстие.
По мере роста озонных трещин 'напряжение в образцах
спадает, причем показано, что спад напряжения не связан с
заметными окислительными процессами.
Применяются образцы толщиной 0,3 мм и степень
растяжения 20%. Замер напряжений производят периодически.
На рис. 237 показан прибор НИИРП, представляющий
собой герметичную термостатированную камеру 15 с рамкой для
растяжения образцов. Растяжение последних создается пере-
432
Гл. VII. Испытания резины на старение
мещением ограничителя 12, а также установочных винтоз 2,
перемещающих верхние зажимы 4. Усилие з образцах
замеряется пружинными динамометрами 6. растягиваемыми до тех
пор, пока при уравновешиваниии напряжений в образце
замкнется электрическая цепь: контакт G) — динамометр F)—
нижний зажим (//) — ограничитель A2) — направляющие
A4) — крышка (/) и корпус прибора, вследствие чего загорит-
т
Рис. 237. Прибор НИИРГТ70 для оценки
озонного растрескивания резин:
/—крышка; 2—установочные винты; 3—струбцина: 4—
верхний зажим; 5—боковая шкала; ff—динамометры; 7—
съемный контакт: 8. 16—трубки для озонированного
воздуха; 9—микроскоп; /0—лампочка; //—нижний зажнм;
/2—ограничитель; 13—винт; 14—направляющие;
15—камера; /7—стальной тяж.
ся сигнальная лампочка 10. Отчет деформации динамометра 6,
пропорциональный напряжению в образце, производится по
микрошкале 5 через микроскоп 9.
В настоящее время установка автоматизирована87, для
замера усилия используются датчики сопротивления. Опытный
образец установки изготавливается Ивановским заводом
измерительных приборов.
Автоматическая регулировка концентрации озона
Озон образуется путем фотохимического действия
ультрафиолетового света на атмосферный кислород, при
электрических разрядах в воздухе и другими реакциями. Регулировать
2. Методы искусственного старения 433
работу озонного генератора можно по-разному, но во всех
случаях необходимо непрерывно и точно определять концентрацию
озона в воздухе.
Наиболее широкое практическое применение получил метод
электрометрического титрования.
Основные принципы контроля концентрации озона с
помощью электрометрического титрования были развиты еще
¦в 1926 г.К8.
В электролите, применяемом для поглощения озона из
воздуха, величина з.д.с. поляризации зависит от концентрации
иода.
Если связывать иэд определенным количеством тиосульфата,
то э.д.с. поляризации изменяется только при отклонении
содержания свободного иода от нормы, соответствующей заданной
концентрации озона. Возникающие при этом отклонения э.д.с.
могут, в свою очередь, воздействовать на напряжение
генератора озона.
Подобный принцип был использован в работах Милнса81,
ПюлаВ2 и ряда других авторов89' 90. Милне в качестве озонного
генератора применял ультрафиолетовую лампу.
Схема установки Пюла, предлагаемая в проекте
рекомендации ИСО74, показана на рис. 236,а. Основные принципы ее
действия разработаны Фордом и Купером91. Установка
отличается следующими особенностями:
1) дает концентрацию озона в пределах от 5-10~6 до
50-10-*% по объему (наиболее часто применяется 25 - 10-6%):
2) автоматически поддерживает выбранную концентрацию;
3) дает возможность проводить испытание при различных
контролируемых температурах;
4) позволяет задавать как статическое, так и динамическое
растяжение;
5) изолирована от источников света; не имеет контроля
влажности, поскольку последняя, по данным92, не влияет на
озонное растрескивание; однако в свете работы93 это является
недостатком установки.
Озонированный воздух (рис. 236, а) из генератора 12
попадает в камеру с образцами /, а далее по линии 2 — в
приспособление 7 Крабтрн и Кемпа86, описанное выше (см. рис. 236,6).
Протягивание воздуха осуществляется вакуум-насосом «а
линии 10. В ловушке 9 размещены платиновые электроды 8,
устройство реагирует на избыток (или недостаток) иода по
электрометрическому методу Фоулка и Баудена88,
заключающемуся в следующем. К электродам приложена постоянная
разность потенциалов (порядка 15—25 мв)_ Если концентрация
озона не отклоняется от заданной, избыток ионов иода или тио-
28—2406
434 Гл. VII. Испытания резины на старение
сульфата отсутствует и зеркало гальванометра, включенного
в цепь электродов, не отклоняется. Любое изменение ?
концентрации озона вызывает отклонение зеркала.
Свет, отраженный от зеркала, попадает на фогоячейку,
изменяя ее сигнал. Последний проходит через одноступенчатый
усилитель, воздействующий на реле, которое замыкает
дополнительный озонный генератор.
ЛИТЕРАТУРА
I.A. С. Кузьминский, Н. Н. Лежнев, Ю. С. 3 у е в,
Окисление каучуков и резин, Госхнмнздат, 1957.
2. Н. Н. Лежнев, Методы ускоренного теплового старения резни, Гос-
химнздат, 1957.
3. А. С. Кузьминский, Хим. пром., № 1, 7; № 2, 5 A952); Успехи
химии, 24, 824 A955); в сб. «Старение и утомление каучуков и рези»
и повышение их стойкости», Госхнмиздат, 1955, стр. 3.
4. С. Б. Р а т н е р, М. М. Р є з н и к о в с к и й, Ю. С. Зуев, Зав.
лаб., 7, 849 A954).
5. Б. А. Д о г а д к и н. Химия и физика каучука, гл. VI, Госхимиздат,.
1947.
6. А. С. Кузьминский, М. Г. М а й з е л ь с, Н. Н. Лежнев,
ДАН СССР, 21, 319 A950); А. С. Кузьминский, М. Г. М а й-
зел ь с, Хим. пром., 3, 77 A950); в сб. «Старение каучуков и резик
и повышение их стойкости», Госхимиздат, 1952, стр. 106; А. С.
Кузьминский, Л. И. Любчанская, в сб. «Старение и
утомление каучуков и резин и повышение их стойкости», Госхимиздат,
1955. стр. 89
7. Г. Л. Слонимский, В. А. К а р г и н, Г. Н. Б у й к о,
Е. В. Р ез ц о в а, М. Л ь ю и с-Р и е р а, ДАН СССР, 93, 523
A953); в сб. «Старение и утомление каучуков и резин и повышение их
стойкости», Госхимиздат, 1955, стр. 100; Г. Л. Слонимский,
Хим. наука и пром., 4, 73 A959).
8. Ю. С. Зуев, А. С. Кузьминский, в сб. «Старение и утомление
каучуков и резин и повышение нх стойкости», Госхимиздат, 1955,
стр. 157; в сб. «Старение каучуков и резин и повышение их стойкости»,
Госхимиздат, 1952, стр. 38.
9. А. С. Кузьминский, Н. Н. Лежнев, Легкая пром., № 11,
25 A951).
10. ГОСТ 271—53. Испытание резины на старение.
11. Ю. С. Зуев, Стандартизация, № 7, 27 A963).
12. ASTM D1171 — 57Т. Weather Resistance Exposure of Automotive Rubber
Compounds (Tentative Method of Test); ASTM E41—57T. Conditioning
and Weathering. Definitions with Proceedures Relating to (Tentative).
13. ASTM D572—53. Standard Method of Test for accelerated aging of
vulcanized rubber by the oxygen-pressure method.
14. ASTM D573—53. Standard Method of Test for accelerated aging of
vulcanized rubber by the oven method.
15. ASTM D454—53. Standard Method of air-pressure heat test of vulcanized
rubber.
16. ASTM D865—57. Standard Method of heat aging of vulcanized natural or
synthetic rubber by test tube method.
17. ISO/TC 45. Doc. № 243, 256 «Aging of rubber» A955).
Литература 435
ISO/ТС 45. Doc. JV° 98, 1953 «The use of separate containers in accolerated
aging test methods (individual aging)»; ISO/TC—45 Doc. № 232, 286
«Draft recommendation on test tude accelerated aging method».
DIN 53508. Prufung von Gummi. Kunstliche Alterung von Weichgummi.
Ю. С. Зуев, ДАН СССР, 93, № 3, 483 A953).
ASTM D518—57Т. Tentative Method of Test for Resistance to surface
cracking of stretched rubber compounds.
Ю. С. Зуев, С. И. Пр авед ни ков а, ДАН СССР, 116, 813A957);
ЖФХ, 31, 2586 A957); Каучук и резина, № 1, 30 A961).
J. М. В и і s t, Q. N. Welding, Trans. IRI, 21, 49 A945).
J. Mandel, F. L. Roth, M. N. Steel, R. D. S t і e 1 e r,
Intern. Rubb. Confer., Washington, Nov. 8—13, 1959.
W. С Gear a. oth., India Rubb. World, 55, 127 A916); 64, 887
A921).
B. S. 903, part 13, «Accelerated aging tests».
UNI 2035. Prove meccaniche sulla gomma elastica. Trattamento di invec-
chiamente artificial a 78 °С + Г.
NF, 1946, TiS—004 «Essui de vieillisement artificiel a l'etuve»; Т4в—005,
«Essui a la bombe a oxygene a 70°»; Тгв—006 «Essui a la bombe a air».
A. M. Neal P. О t ten hoff, Ind. Eng. Chem., 36, 352 A944);
J. R. Shelton, H. W і n n, Ind. Eng. Chem., 36, 782 A944); 38,
71 A946); Rubb. Chem. Technol., 19, 696 A946).
Л. M. Б е г у н о в с к а я, Г. Э. Б е т ц, Б. К. Кармин, Л. Ф.
С а п о ж к о в а, В. Г. Э п ш т е й н, в сб. «Старение каучуков и
резин и повышение их стойкости», Госхимиздат, 1952, стр. 68.
М. А. Цыдзик, Л. Е. Винницкий, С. А. Иванова, в сб.
«Старение каучуков и резин и повышение их стойкости», ГосхиМиздат,
1952, стр. 87.
J. R. Scott, J. Rubb. Res., 18, 117 A949); Rubb. Chem. Technol., 23,
390 A950).
A. E. Juve, H. Boxser, a. oth., ASTM Bulletin, № 147, 51 A947);
M. B. Fackler, J. S. R u g g, Anal. Chem., 23, 1646 A951).
S. Eccher, S. Ob er to, Trans. IRI, 27, 325 A951); A. E. Juve,
R. Shearer, India Rubb. World, 128, 623 A953); 129, 244 A954).
A. E. Juve, M. G. S с h о с h, Symposium on aging of rubber, ASTM,
Spec, technol. publication, March 2, 1949; ASTM Bulletin, № 195, 54
A954).
ASTM E95—52T. Tentative Specifications for Cell-Type Oven with
controlled rates of ventilation; E. Marks, ASTM Bulletin, № 159, 51 (July,
1949); J. Soc. Chem. Ind., January, 1947; Ind. Eng. Chem., 35, 896 A943);
J. Sei. Instr., 11, 10 A934).
R. F. В lack we 11, India Rubb. J., 127, 1188A954); W. J. R.
Schonlau, India Rubb. J., 127, 228 A954); 130, 188 A956).
J. M. В і er er, С. С. Davis, Ind. Eng. Chem., 16, 711 A924).
A. M. Neal, H. G. В і m m e r m a n, J. R. Vincent, Ind.
Eng. Chera., 34, 1352 A942).
А. С. Кузьминский, Л. Л. Шанин, Н. Н. Лежнев,
ДАН СССР, 79, 467 A952).
J. R. Shelton, W. L.'Сох, Ind. Eng. Chem., 45, 392 A953).
Е. А. Антонова, С. А. Иванова, М. М. Резниковский,
М. В. Тимофеева, в сб. «Физико-механические испытания
каучука и резины», Госхимиздат, 1960, стр. 131 (Труды НИИШП, сб. 7).
А. С. Кузьминский, Л. И. Любчанская, Каучук и
резина, № 6, 3 A958).
' J. В. Shelton, Symposium on Aging of Rubber, Spec. Techn. Rubb.,
89, ASTM, стр. 12, 1949; Ind. Eng. Chem., 45, 392 2080 A953).
436 Гл. VII. Испытания резины на старение
45. Н. Н. Лежнев, А. С. Кузьминский, ДАН СССР, 86, № 6,
1147 A952).
46. L. R. Pollack, R. Е. McElwain, P. Т. Wagner, Ind.
Eng. Chem., 71, 2280 A949).
47. J. M. Buist, India Rubb. J., 120, 451 A951).
48. Ю. С. Зуев, Н. Н. Б у х а н о в а, Т. И. Д о р ф м а н, Каучук
и резина, № 10, 44 A960).
49. ASTM D1206—52Т. Tentative Method of Test for Resistance to aging of
vulcanized rubber by measurement of creep.
50. M. А. Ц ы д з и к, А. И. Л у к о м с к а я, Труды НИИШП, сб. 4,
Госхимнздат, 1957, стр. 113.
51. ГОСТ 10269—62. Резина. Метод определения сопротивления старению по
ползучести.
52. ASTM D1390— 56. Tentative Method of Test for stress relaxation of
vulcanized rubber in compression.
53. Проект ГОСТа. Резина, Метод определения старения а напряженном
состоянии.
54. Ю. С. Зуев, Каучук и резина, № 3, 23 A959).
55. Е. J. Barkt h, Rubb. Age, (New York), 63, 52 A948).
56. Ю. С. Зуев, А. С. Кузьминский, Коллоид, ж., 13, 436 A951).
57. ASTM D750—557. Tentative Method of Test for resistance to asselerated
light aging of rubber compounds.
58. F. T. Bowditch, С E. G r є і d e r, CG. О 1 1 і n g e r, Proceed.
ASTM, 42, 845 A942).
19. Ю. С. Зуев, А. С. Кузьминский, ДАН СССР, 90, 1062 A953).
10. J. Crab tree, A. R. Kemp, Ind. Eng. Chem., 38, № 3, 278 A946) •
Rubb. Chem. Technol., 19, 712 A946); J. H. Fielding, India Rubb;
World, 115, 802 A947); Rubb. Chem. Technol., 20, 1020 A947).
61. T. H. Harris, R. D. S t і e h 1 e r, India Rubb. World, 118, 365
A948).
62. P. Schneider, Kautschuk u. Gummi, 6, 111 A953).
63. M. N. L о w m a n, H. P. Miller, Intern. Rubb. Confer. Washington,
Nov. 8—13, 1959.
64. А. С. Лейки и, Хим. пром., № 1, 20 A952).
65. Г. О. Т а т е а о с я н, Передовой резино-технический и
производственный опыт, тема 38, № 2, 14/1. Изд. филиала ВИНИТИ, 1957.
66. Rubb. World, 138, 780 A958).
67. ASTM D749—43Т. Tentative Method of Calibrating light source used for
accelerating the deterioration of rubber; ASTM D750—55T. Tentative
Method of Test for Resistance to accelerated light aging of rubber
compounds.
68. 1SO/TC 45, WG 7, Doc. V. 172 («Resistance to light ageing»); ISO/TC 45,
WG 7 (—) 11, July, 1959.
69. Ф. И. Седов, Г. К. Ю р ч е и к о, Текст, пром. № 7, 35 A953).
70. Ю. С. Зуев, С. И. Пр а вед ни ков а, Труды НИИРП, сб. 3,
Госхимнздат, 1956, стр. 114.
71. Ю. С. Зуев, А. С. Кузьминский, Хим. пром., № 9, 272
A950); № 11, 338 A95П; Ю. С. Зуев, Каучук и резина, № 6,
34 A957).
72. ASTM D1149—55Т, Tentative Method of Test for Accelerated Ozone Cracking
of Vulcanized Rubber.
73. ГОСТ 6949—54. Резина. Метод испытания стойкости к озону.
74. ISO/TC WG 7 (—) 10, July 1959. «Test Draft ISO Proposal for testing
resistance of vulcanized rubber to ozone cracking under static conditions».
75. F. B. Smith, W. F. T u 1 e y, Rubb. World, 139, 253 A959).
Литература 437
76. ASTM D470—58T. Tentative Methods of testing rubber and thermoplastic
insulated wire and cable. Ozone Resistance Test.
77. ISO/TC 45 (Secretariat-221), Doc. 332, July 1957.
78. M. M. P є з и и к о в с к и й, Н. П. Зверев, Л. И. Денисова,
в сб. «Физико-механические испытания каучука и резины», Госхимиз-
дат, 1960, стр. 135 (Труды НИИШП, № 7).
79. ISO/TC 45, WG 7 (USSR) 7, July A959) «Observation by the USSR
Committee on the first draft ISO proposal for testing resistance of vulcanized
rubber to ozone cracking under static conditions».
80. Ю. С. Зуев, Хим. пром., № 9, 325 A953).
81. D. J. Milns, Rubb. Age (New York), 76, №6, 875A955).
82. B. I. C. F. V a n P u 1, Trans. IRI, 34, 28 A958); Kautschuk u. Gummi,
8, WT, 184 A955).
83. H. A. Vodden, M. A. A. Wilson, Trans. IR1, 35, 82 A959).
84. И. А. Левитин, E. H. Полоски н, В. Д. Петрова,
Е. Д. Марченко, Каучук и резина, № 8, 51 A962).
85. R. М. Murray, Rubb. Chem. Technol., 32, 1117 A959); E. R. E r і с k-
s о n, R. А. В e r n t s о n, E. L. Hill, P. К u s y, Rubb. Chem.
Technol., 32, 1062 A959); G. N. V а с с a, Rubb. Chem. Technol., 22, 1080
A959); G. H. Hunt, O. S. P r a t t, Rubb. Chem. Technol., 32, 1104
A959); A. J. H a a g e n-S m і t h, M. F. В r u n e 1 1 e, J. W. H a a g e n-
Smith, Rubb. Chem. Technol., 32, 1134A959); H. W. К і 1
bourn e, G. W. W і 1 d e r, J. E. Van V e r t h, J. O. Harris,
С. С. Tung, Rubb. Chem. Technol., 32, 1155 A959); К- Е. Creed,
R. B. H і 1 1, J. W. Breed, Anal. Chem., 25,241A953); С. Е.
Bradley, A. J. H a a ge n-S m і t h, Rubb. Chem. Technol., 24,
750 A951).
86. J. Crab tree, A. R. Kemp, Ind. Eng. Chem., Anal. Ed., 18, 769
A946); Ind. Eng. Chem., 38, 278 A946).
87. Ю. С. Зуев, В. Д. Зайцева, Каучук и резина, № 2, 22 A963).
88. С. W. F о и 1 к, А. Т. В a w d e n, J. Am. Chem. Soc, 48, 2045 A926).
89. D. С. Edwards, E. В. Storey, Trans. IRI, 31, 45 A955); Rubb.
Chem. Technol., 28. 1096 A955).
90. W. L. Dunkel, R. R. P h e 1 a n, Rubb. Age (New York), 83, 281
A958).
91. E. W. Ford, L. V. Cooper, India Rubb. World, 124, 696, 701
A951); 125, 55 A951).
92. W. F. Tu ley, Ind. Eng. Chem., 31, 714 A939); J. Т. В e a u d e r y,
Rubb. Age (New York), 69, 429 A951).
93. Ю. С. Зуев, В. Ф. М а л о ф е е в с к а я, Каучук и резина, № 6,
26 A961).
Глава VIII
ОПРЕДЕЛЕНИЕ МОРОЗОСТОЙКОСТИ И ТЕМПЕРАТУРЫ
ХРУПКОСТИ РЕЗИН
Значительное число резиновых изделий эксплуатируется при
пониженных температурах. Морозостойкость резин связана
прежде всего со способностью сохранять в этих условиях
высокоэластические свойства.
Переход резины в так называемое стеклообразное состояние
осуществляется в некотором, относительно небольшом
интервале температуры и приводит к возрастанию жесткости в тысячи
и десятки тысяч раз.
Общий характер изменения жесткости резины с температур
рой был уже рассмотрен выше (разделы 1 глаз II и IV) и
иллюстрируется рис. 238.
Переход в стеклообразное состояние имеет релаксационную
природу'"8 и, в общем случае, зависит не только от
температуры, но и от временного режима нагружения.
При динамических 'высокочастотных испытаниях этот
переход осуществляется при более высоких температурах, чем при
низкочастотных и тем более статических испытаниях.
Понятие температуры перехода, или температуры
механического стеклования (Тс), поэтому в какой-то мере условно.
Лучше всего Тс может быть определена как температура,
соответствующая перегибу на кривой зависимости данного
механического свойства от температуры.
Переход резины н стеклообразное состояние может быть
обнаружен и без проведения каких бы то ни было механических
испытаний, йапример, по скачкообразному изменению
коэффициента теплового расширения. Релаксационная природа явления
обнаруживается при этом в том, что определяемая подобным
образом температура так называемого структурного
стеклования9 зависит от скорости изменения температуры при
испытании.
При практически применяемых скоростях охлаждения
температура структурного стеклования всегда ниже температуры
механического стеклования10 и может рассматриваться как
некоторое п едельное значение температуры механического стек-
Опред. морозостойкости и темп, хрупкости резин
439
ловакия, соответствующее бесконечно медленному нагружению.
Как указывалось выше при изложении принципа темпера-
турно-временной суперпозиции, температура стеклования
является очень важной характеристикой всех полимерных
материалов*.
Практически, однако, в тех случаях, когда от технических
резин требуется высокая степень эластичности, они теряют
работоспособность значительно раньше, чем достигается
температура стеклования. Поэтому для более полной характеристики
резины определяют не
только величину Тс, но и
зависимость важнейших
механических свойств от температуры в
относительно широком
интервале ее изменений между
комнатной температурой и темпе-
!«*
ратурои стеклования.
\
J.
Рис. 238. Зависимость действительной
G' и мнимой G" части модуля от
темпеэатуры для резин на основе:
/—низкотемпературного бутядуен-сгнрольного
каучука; 2—натурального каучука: 3— крнлена.
Температура
Рис. 239. Термомеханическая
кривая:
Гс—температура механического
стеклования; Г —температура текучести.
Об изменении высокоэластичности с температурой можно
судить по различным механическим свойствам.
Если принять за характеристику состояния резины
величину деформации, развивающейся за определенное время при
данной температуре и заданной величине напряжения, то график
деформация—температура, называемый тгрмомеханической
кривой5, будет иметь вид, схематически изображенный на рис. 239.
* Значение Тс необходимо, в частности, для использования
универсального уравнения B5) раздела !: главы IV.
440 Гл. VIII. Опред. морозостойк. и темпер, хруп, резин
Термомеханическия кривая смещается по температурам,
если изменяется время деформации или напряжение. Область
высокоэластического состояния расширяется с увеличением
степени полимеризации каучука, на основе которого изготовлена
резина.
Получение термомеханических кривых дает возможность
сравнивать значения деформаций при различных температурах
и вместе с тем устанавливать температуру стеклования Тс.
Для получения термомеханических кривых широко
используются весы Каргина8' "¦12.
Первоначально предложенный метод заключался в том, что
к образцу полимера, по достижении им заданной температуры,
прилагалась нагрузка и измерялась деформация, развиваемая
в 'определенный, обычно короткий, промежуток времени.
Далее груз снимался, образец доводился до іновой температуры,
и нагружение повторялось вновь. Таким обргзом, получалась
совокупность значений деформации в широкой температурной
области; по этим значениям строилась термомеханяческая
кривая8- и.
Термомеханическая кривая может быть получена также
несколько иным способом. Образец подвержен действию
постоянной нагрузки; задается постоянная скорость подъема
температуры, от низкой до повышенной; при этом изменение размеров
образца, находящегося под постоянной нагрузкой, происходит
под влиянием двух факторов: а) деформации и б)
дилатометрического эффекта, независимого от механического воздействия.
Показано1^, что термомеханические кривые, полученные
обоими способами, дают практически совпадающие значения
температур Тс.
Явление стеклования в ряде случаев осложняется
эффектом кристаллизации каучука. При относительно медленном
охлаждении кристаллизация, также приводящая к увеличению
жесткости, может проявляться при температурах более
высоких, чем Тс. Кристаллизации способствует растяжение,
вызывающее ориентацию молекул каучука14. Кристаллизуются не все
каучуки. Кроме того, обычно наблюдается оптимальная
температура*, ниже которой скорость кристаллизации существенно
замедляется. Вследствие этого путем быстрого охлаждения
можно перевести полимер в стеклообразное состояние, избежав егэ
кристаллизации. Сопоставление изменений резины, происходя-
* Согласно ASTM D832—56Т, эта температура составляет —25 °С для
НК; —10 °С для неопрена; —45 °С для некоторых бутадиеновых
сополимеров; —70 °С для силоксановых каучуков; —10 °С для полиуретанов.
Опред. морозостойкости и темп, хрупкости резин
441
щих при кристаллизации* и стекловании**, приведено в
табл. 13***.
Таблица 13
Сопоставление изменений резины при кристаллизации и при стекловании15
Свойства
Кристаллизация
Стеклование
Скорость процесса
Изменение объема
Теплота перехода
Температура, при
которой
обнаруживается процесс
Влияние на
молекулярную структуру
Материалы,
подверженные этим
процессам
Минуты, часы, дни и даже
месяцы. С понижением
температуры скорость кристаллизации
проходит через максимум.
Зависит от типа каучука, степени
вулканизации, состава смеси.
Значительное уменьшение объема
Развивается за счет
кристаллизации
Оптимальная температура
главным образом определяется
типом полимера
Упорядочение расположения
молекулярных сегментов
Нерастянутые полимеры: НК (с
малым содержанием серы),
стереорегулярный изопреновый
и дивиниловый полимеры, хло-
ропреновый каучук, тиокол А,
бутадиеновый сополгімер с Ш-
сокой концентрацией
бутадиена, большинство силоксанов,
некоторые полиуретаны. Бутил-
каучук кристаллизуется при
растяжении. Растяжение
увеличивает скорость
кристаллизации всех перечисленных
материалов
Обычно происходит
быстро. Имеет место в узком
температурном
интервале, зависящем от
скорости деформации, при
которой наблюдается.
Изменений в объеме нет,
но изменяется
коэффициент термического
расширения
Теплового эффекта нет,
но изменяется удельная
теплоемкость.
Очень широкий интервал
температур, зависящий
от состава
Изменение характера
теплового движения
сегментов молекул в аморфном
полимере
Все полимеры
* Вулканизация значительно снижает скорость кристаллизации.
Существенно влияют на кристаллизацию содержание вулканизующего агента,
тип ускорителя, количество пластификатора16' 17.
** В отличие от стеклообразного состояния, на которое не влияет
продолжительность выдержки материала при низкой температуре (лишь бы было
достаточное время для того, чтобы в образце установилось температурное
равновесие), степень кристаллизации зависит от времени пребывания при
дайной температуре.
*** В таблицу внесены некоторые корректировки, основанные ва более
новых представлениях о механических свойствах.
442 Гл. VIII. Опред. морозостойк. и темпер, хруп, резин
Морозостойкость резины при механических испытаниях в
принципе может быть характеризована тремя способами.
Первый способ заключается в нахождении температуры
механического стеклования. Второй способ заключается о сравнении
механического свойства, определяемого при какой-либо одной
заданной температуре, с его значением при нормальных
температурных условиях. Механические свойства, изучаемые в обоих
случаях, могут быть весьма различны. Обычно выбираются
деформационные характеристики. Третий способ основан на
определении прочностных характеристик; он дает понятие о
температуре хрупкости как температуре, при которой происходит
переход к хрупкому разрушению.
Первые два способа важны для представления о
морозостойкости резин, предназначаемых для эксплуатации в
резиновых изделиях типа амортизаторов, демпферов, ремней,
гофрированных трубок, бесшумных блоков18; третий же способ — резин,
изделия из которых испытывают сравнительно большие
ударные нагрузки при низких температурах (авто- и авиашины,
тормозные рукава и др.).
Понятие о температуре хрупкости дано з разделе 1
главы II, где также рассмотрено различие между температурой
хрупкости Гхр. и температурой механического стеклования Тс,
связанное с тем, что области хрупкого и высокоэластического
состояния разделены областью вынужденно-эластического
состояния19.
Установление интервала нехрупкого разрушения ниже
температуры стеклования основано на растяжении образцов,
замораживаемых при разных температурах, и определении наряду
с разрывными нагрузками деформации, предшествующих
разрыву. Образование «шейки» на образце при больших
квазиостаточных деформациях характеризует состояние вынужденной
эластичности. При хрупком разрыве происходят лишь
небольшие упругие деформации. Разрушенный образец не имеет каких-
либо остаточных деформаций. Нарастание напряжений при
деформации, предшествующей разрушению, не сопровождается
ни течением, ни релаксационными процессами.
В качестве примера применения второго способа может быть
рассмотрена рекомендация ASTM D1053—58Т20.
По ASTM находят температуры, при которых отношения
модулей к их значениям лри комнатной температуре равны
2, 5, 10 и 100. Аналогичный показатель морозостойкости Тк —
это температура21, при которой резина в заданном режиме
испытания сохраняет определенную часть высокоэластической
деформации по отношению к деформации, наблюдаемой при
20 °С.
Методы охлаждения образцов при испытаниях на морозостойкость 443
Наиболее распространен показатель Гол или температура,
при которой часть сохраненной высокоэластической деформации
равна 0,1. Разумеется, целесообразна по возможности полная
оценка низкотемпературной кривой высокоэластической
деформации22.
Методы охлаждения образцов при испытаниях
на морозостойкость
Получение низких температур для испытания резины
может быть осуществлено одним из следующих путей15-23.
1. Охлаждение производят, используя расширение газов
(холодильных агентов), сжатых в соответствующих
компрессорных установках.
Автоматическая регулировка температуры охлаждаемой
среды (в данном случае — воздуха в испытательной камере)
достигается либо соответствующими терморегуляторами,
непосредственно воздействующими на работу компрессора, либо
регулировкой давления, от которого зависит степень сжатия (и
последующего охлаждения при расширении) хладоагента.
2. Охлаждение производят за счет поглощения тепла при
испарении твердой двуокиси углерода (сухого льда) или
жидкого аммиака. Для получения температур ниже —120°С
применяются метилциклогексан и жидкий азот.
При этом может быть использовано охлаждение воздуха;
последний является средой, непосредственно окружающей
образец*; охлаждающая жидкость либо циркулирует по змеевику
в замкнутом пространстве, либо ячейка с охлаждающей
жидкостью прямо размещается в воздушном термостате (рис. 240).
3. Наконец, часто употребляются так называемые
холодильные смеси в которых компонентами являются твердая двуокись
углерода (сухой лед) и органические жидкости (по
возможности более безвредные, негорючие, не действующие на
аппаратуру и испытуемый материал). В зависимости от применяемой
жидкости и объемного состояния с сухим льдом могут быть
достигнуты любые температуры (с толуолом до —55°С, с
этиловым спиртом дэ —63 °С, с ацетоном до —78°С, с петролейным
эфиром до —140 °С, с пентаном до —180 °С). В отечественной
практике чаще всего употребляют этиловый спирт-ректификат,
в США — ацетон, метиловый спирт, бутиловый спирт, к-гексан,
а также метилфосфат и воду в объемном отношении 87: 13.
Схема непосредственного охлаждения в жидкой среде
показана на рис. 241.
* Применяется циркуляция воздуха; воздух должен быть сухмм во
избежание образования инея.
444
Гл. VIII. Опред. морозостойк. и темпер, хруп, резин
Независимо ст того, как производится охлаждение:
воздухом, смесью воздуха с парами двуокиси углерода или азота,
в жидкой среде —• во всех случаях должно быть обеспечено
Рис. 240. Схема воздушной камеры, охлаждаемой сухим льдом:
/, 9—моторы; 2—ременная передача; 3—вентилятор для циркуляции среды
иад сухим льдом; 4—рамка из углового железа; 5—термоизоляция;
6—ячейка с сухим льдом; 7—крышка; 8—болты; 10—вентилятор в испытательной
камере; 11—испытательная камера; 12—термопара; 13—перегородка.
8
Рис. 241. Схема охлаждения в жидкой среде:
/—электрический регулятор; 2—мотор с мешалкой; 3—вентиль,
работающий от соленоида прн замыкании реле терморегулятора; 4—насос для
циркуляции охлаждающей жидкости; 5—змеевик для циркуляции
охлаждающей жидкости через камеру с сухим льдом; 6—сухой лед в смеси с
метиловым спиртом или другое охлаждающее средство; 7—изоляция;
«—охлаждающая жидкость; 9—электрический нагреватель;
10—терморегулятор.
поддержание температуры с точностью до ±1°С, циркуляция
среды с помощью механических средств (вентилятор, мешалка),
возможность автоматической или ручной регулировки
температур; желательно наличие дверцы или смотровых окон для
наблюдения за образцами в холодильной камере.
Методы охлаждения образцов при испытаниях на морозостойкость 445
Размеры последней должны быть выбраны минимальными.
т. е. должны позволять размещать не весь прибор, а только
испытуемый образец с тем, чтсбы меньше затратить времени и
средств на охлаждение, точнее регулировать я поддерживать
выбранную температуру. Дополнительная регулировка
производится электронагревателями.
С помощью медно-константановых термопар лучше всего
сочетать измерение температур с их автоматической
регулировкой по схеме электронного потенциометра (например,
компенсационного).
Наконец, необходима хорошая теплоизоляция охлажденных
камер.
Компрессорные холодильные установки целесообразно
применять для массовых испытаний при фиксированных
температурах. Первоначальные затраты на установку велики и
наладка должна производиться специалистами, однако в
последующем система работает автоматически.
Охлаждение сухим льдом и холодильными смесями
допускает быструю смену темлературы при испытании, сравнительно
небольшие объемы для охлаждения, простоту камер, особенно
в случае применения непосредственного охлаждения образцов
в смеси, находящейся в сосуде Дьюара, однако требует
непрерывного расхода холодильных 'средств.
Наряду с такими преимуществами методов охлаждения
холодильными смесями, как быстрота и простота
охлаждения среды и самих образцов, имеются существенные
недостатки*.
При использовании в качестве охлаждающей среды
воздуха время охлаждения образцов существенно увеличивается.
В табл. 14 представлены данные по времени достижения
разновесной температуры в образцах15 при начальной разности
температур образца и воздуха равной 10 °С. При другой
начальной разности температур (T^—Т2) температура в центре
образца будет отличаться от температуры воздуха за выбранное
время на AT- (Ті—Т2)/10.
При циркуляции воздушной среды время достижения
равновесной температуры сокращается примерно вдвое.
Для пластин это время приблизительно прямо
пропорционально их толщине. Например, при толщине 25 мм она в 10 раз
больше, чем при 2,5 мм. Если образцы погружаются в
охлаждающую циркулирующую жидкую среду, то время охлаждения
сокращается примерно на 85%.
* Особенно малоэффективны схемы охлаждения воздуха с помощью
испаряющихся холодильных средств (см. рис. 240).
446
Гл. VIII. Опред. морозостойк. и темпер, хруп, резин
Таблица 14
Зависимость времени достижения равновесной температуры
от условий охлаждения
Д7*—разница между
температурой
охлажденного воздуха
и температурой
в центре образца*
°С
1,0
0,5
0,2
0,1
Время, необходимое для достижения указанной
разницы температур, сек, при отсутствии
циркуляции воздуха
в образце по ASTM
D1053—58Т
для испытания
на торсионном приборе
Гемана
255
332
433
510
в пластине
ТОЛЩИНОЙ
2,5 мм
522
682
888
980
в цилиндре
ВЫСОТОЙ
12,5 мм,
диаметром
18 мм
1740
2250
2940
3420
* Начальная температура образца отличается от температуры охлажденного
воздуха на 10 °С.
Отсюда очевидны преимущества жидкой среды. В то же
время следует отметить такие неблагоприятные моменты, как
трудность непосредственного наблюдения за образцами,
находящимися в жидкой среде; поверхностно-активное действие среды,
которая может влиять на деформационные и прочностные
свойства резины; возможное набухание резины, повышающее ее
деформируемость, и экстракция из резины ряда ингредиентов
(особенно пластификаторов). Набухание и экстракция, однако,
в большинстве случаев не успевают проявиться существенно,
поскольку применяются относительно небольшие времена
промораживания образцов.
На показатель температуры хрупкости влияет жидкость,
применяемая для охлаждения. Степень влияния зависит от
типа резины.
Методы определения температуры хрупкости
При испытании на хрупкость находится максимальная
температура, при которой образец разрушается под действием
ударной нагрузки или дает видимую невооруженным глазом
трещину.
Как уже указывалось, получаемые показатели зависят от
величины и скорости приложения нагрузки, типа деформации
(распределения напряжений в образце при ударе) и других
факторов. Поэтому необходимо строго регламентировать
условия испытаний (выдерживать размеры и форму образцов и
бойка ударника, расстояние его от места удара до места
закрепления образца и способ закрепления образца, энергию бойка,
направление удара).
Методы определения температури хрупкости
447
В свете указанного не рекомендуется пользоваться
методами, основанными на принципе падения ударника, приводимого
в действие от руки24, либо испытаниями, в которых не
контролируется скорость ударной деформации25. Найдено26, что
быстрый изгиб дает температуру хрупкости на 14—25°С выше,
чем медленный.
—да—
і
і
-г
Sf
а
±.
JP1O
!
6
і
Образец
Место
идара
-С
<=>
с
Рис. 242. Детали для испытания по методу
определения температуры хрупкости (по ГОСТ 7912—56):
а—форма и размеры бойка; б—зажимы с образцом.
По ГОСТ 7912—5627, температура хрупкости резины
определяется посредством изгиба консольно закрепленного образца,
имеющего форму полоски длиной 25±0,5 мм, шириной 6,5±
±0,3 мм и толщиной 2±0,3 мм. На рис. 242,а показаны
размеры бойка, на рис. 242,6 — зажимы с образцом к место удара.
Образец, охлажденный в смеси этилового спирта-ректификата и
сухого льда или жидкого азота, подвергается изгибу путем
удара при освобождении сжатой пружины ударника. Пружина
имеет длину 85—90 мм, наружный диаметр І9 мм и сжимается
до 40±1 мм под действием нагрузки 11 —12 кгс. Ударник
весит 0,200±0.020 кгс. При сжатом положении пружины боек
ударника находится на расстоянии 25+1 мм от образца и
проходит расстояние 40±1 мм по освобождении сжатой
пружины.
На рис. 243 приведена схема прибора НИИШП, методика
испытания, на котором положена в оснозу ГОСТ 7912—56.
Зажим 4 с образцом 3 находится на конце эбонитового
стержня 8, который фиксируется во втулке 7 защелкой 6: в
нижнем положении — при промораживании образца в сосуде Дью-
ара / с охладительной смесью, в верхнем положении — при
ударе по образцу бойка 2. Освобождение пружины 9
производится при оттягивании защелки 14. Оттягивание бойка и ежа-
448
Гл. VIII. Опред. морозостойк. и темпер, хруп, резин
тие пружины осуществляется с помощью винта 12, на конце
которого имеется втулка // со штифтами, входящими в прорези
муфты 10.
13
/77777777777777777777777777
Рис. 243. Прибор НИИШП для определения
температуры хрупкости (по ГОСТ 7912—56):
/—сосуд Дьюара: 2—боек; 3—образец; 4—зажим; 5—рычаг;
6, 14—защелки; 7, И—втулки; 8—стержень; 9—пружина; 10—
муфта; 12—винт автоматического спуска ударника;
13—ртутное реле; 15—катушка электромагнита; 16— сердечник.
Промораживание образца длятся 5 мин. Подъем образца
и удар по нему должны производится не более, чем за одну
секунду.
Если образец не разрушился после удара, температуру
охладительной смеси понижают, добавляя сухой лед в сосуд
Дьюара. Если образец стал кожеподобным, температуру снижают
на 3-^5°С; если образец сохранил эластичность (гибкость) —на
810оС
Методы определения температуры хрупкости
449
Если образец сломался, повышают температуру
охладительной смеси, добавляя в нее спирт.
Испытание продолжается до тех пор, пока не будет
установлена температура хрупкости с точностью в ±1°С.
Отрицательной стороной методики является недостаточное
число одновременно промораживаемых образцов. Большое
число параллельных испытаний необходимо, так как наблюдается
статистическое распределение показателей температуры
хрупкости28, описываемое экспоненциальной зависимостью в
температурном интервале, доходящем до 35 °С. Поэтому более точным
является определение температуры хрупкости, как температуры,
отвечающей выбранному проценту случаев излома. Например,
по ASTM29 выбрано 50%*.
Для исключения изменения температуры образца
целесообразно также производить удар непосредственно в
охладительной среде, не вынимая образец.
На рис. 243 показано приспособление В. Д. Шугая для
автоматического спуска ударника. При подъеме стержня 5 с
зажимом 4 а образцом 3 в верхнее положение рычаг 5 наклоняется
и замыкаются контакты ртутного реле 13. Включается цепь
катушки 15 электромагнита, сердечник 16 которого, втягиваясь,
спускает с защелки 14. Описана30 еще одна конструкция
прибора с ударником, нагруженным пружиной.
На рис. 244 показан прибор, в котором ударник приводится
в движение под действием соленоида31. Вращением маховика 5
вводят держатель 2 с консольно закрепленными образцами 3 в
* Пример расчета температуры хрупкости Т из данных испытаний по-
ливинилхлорида (по ASTM2»):
При каждой температуре испытано по 10 образцов. Если Гн—наивысшая
температура, при которой разрушаются все образцы, ДТ—температурный
инкремент, S—сумма процентов разрушения при всех температурах,
считая от температуры, при которой начинают разрушаться образцы, до Т„,
то Тхр.=Тм+ДТ ("j^--^1
Допустим, прн испытании получены следующие результаты:
Температура
"С
-30
—32
34
—36
Число
разрушившихся
образцов
0
2
3
6
Температура
"С
—38
—40
—42
Число
разрушившихся
образцов
8
10
10
Из этих результатов следует, что температура хрупкости равна:
где S= 20+30+60+80+100=290.
29-2406
450
Гл. VIII. Опред. морозостойк. и темпер, хруп, резин
охладительный бак 4, где образцы автоматически
устанавливаются в горизонтальном положении. При замыкании контура
соленоида / ударник 6 бьет по образцам под углом 90° на рас-
Рис. 244. Прибор для определения температуры хрупкости
(по ASTM D746—57Т) с ударником, действующим от
соленоида:
/—соленоид; 2—держатель: 3—образец; 4—охладительный бак;
5—маховик; 6—ударник.
стоянии 6,35 мм от места зажимания. В момент контакта с
образцом скорость ударника достигает 198±15 см/сек.
Q157±0-13
, +6 35
6,35i
7,87 ± °'г5
Этот прибор удовлетворяет
требованиям стандарта США29,
давая, как и приборы с
приводом от мотора28'32, скорость
бойка ударника 198 см/сек в момент
соприкосновения с образцом.
Детали бойка и крепление
образца (по ASTM D746—57Т)
Рис. 245. Размеры бойка (ударни- изображены на рис. 245.
ка), образца и крепление образца Удар производится под углом
в зажиме (по ASTM D746—57Т): в 90° к ПЛОСКОСТИ образца.
j-боек; 2-образец; 3—зажим. УпОМЯНуТЫе Приборы раССЧИ-
таны для одновременного
промораживания и испытания от пяти до десяти образцов. (На рис.246
дана схема прибора, ударник которого движется от мотора с
постоянной скоростью 198 см/секK37.
Установлено, что определение хрупкости наиболее
эффективно при изгибе, осушествляеімом удаоом под углом 90°. Из-
Методы испыт. резин на мороз, по эластич. св-вам при раст. и сжатии 451
мерение должно производится с минимальной затратой
времени на замораживание. Так, по ASTM23, это время составляет
3 мин; в противном случае на результаты испытания влияет
кристаллизация.
17
'Я
15
Рис. 246. Прибор для определения
температуры хрупкости (по ASTM D746—57Т) с
ударником, действующим от мотора:
/—защитное покрытие; 2—ручной маховик для установки
ударника; 3—мотор к мешалке; 4—дренажный кран; 5—
переключатель нагревателя; в—изолированный танк, 7—
образец; 8—зажим для образца в рабочем положении;
9—вывод термопары; 10—зажнм для образца;
11—мешалка; 12— подводка к мотору: 13—рычаг; 14—защелка; 15—
ударник; 16—маховик; 17—привод ударника (мотор).
Методы испытания резины на морозостойкость
по эластическим свойствам при растяжении и сжатии
В основных методах оценки эластических свойств резины
применяются испытания на растяжение.
При определении морозостойкости при 'растяжении (по
ГОСТ 408—533S) находятся следующие показатели:
а) коэффициент морозостойкости Кз = 'з/' являющийся
отношением удлинения /3 замороженного образца к удлинению /
образца при нормальной температуре под действием нагрузки Р.
Последнюю подбирают так, чтобы / составляло 100±5% от
начальной длины /0 рабочей части образца перед испытанием;
б) коэффициент возрастания жесткости Кв. ж. = Рз/Р, где Р3—
нагрузка, вызвавшая растяжение / в замороженном образне,
29*
452
Гл. VIII. Опред. мороэостойк. и темпер, хруп, резин
в) относительная остаточная деформация при растяжении
охлажденного образца Л3 (в %):
k. 100
О)
где /з—длина рабочей части образца непосредственно после
снятия растягивающей нагрузки;
/о — длина рабочей части образца перед испытанием.
8
Рис. 247. Прибор для определения коэффициента
морозостойкости (по ГОСТ 408—53):
а—общий вид прибора; б—зажимы; /—подставка; 2, 3—зажимы;
4—трубка; 5—трос; 6—блок; 7—стрелка; 8—шкала; 9—подвеска;
10—лапка; //—стоика.
Испытание образца.проводят сначала при нормальной
температуре (находят груз Р, вызывающий в течение 5 мин
растяжение образца /), а затем в охладительной смеси, после
пятнадцатиминутного «отдыха» и пятиминутной выдержки
(замораживания), находят удлинение 13 после пятиминутного действия
груза Р, после чего обычно подбирают груз Р3гвызывающий в
течение 5 мин удлинение образца, равное /.
Прибор для испытания изображен на рис. 247.
На стойке И закреплены: 1) эбонитовая трубка 4 на лапке 10 с нижним
неподвижным 2 и верхним зажимом 3, связанным посредством троса 5,
перекинутого через блок 6, с подвеской 9 для грузов; 2) подставка / для сосуда Дьюара
с охладительной смесью. Подвеска 9 уравновешена верхним зажимом 3. При
накладывании грузов на подвеску образец растягивается, что вызывает
поднятие верхнего зажима и пропорциональный ему поворот блока 6 вокруг своей
оси; при этом стрелка 7 указывает по шкале 8 на блоке 6 степень растяжения.
Методы ис:шт. резин на мороз, по эластин, св-вам при раст. и сжатии 453
Образцы для испытания имеют вид укороченных
двусторонних лопаток, соответствующих центральной части образцов
типа А или Б (по ГОСТ 270—53), между внешними метками.
Необходимо указать следующие недостатки прибора и
метода испытания: неопределенность операции подбора нагрузки
с нерегламентированным временем (скоростью) ее
приложения; ошибки в измерении удлинений вследствие трения в оси
блока и проскальзывания блока относительно троса;
осуществление предварительной деформации при испытании при
комнатной температуре, которое снижает модуль резины
(особенно наполненной) и приводит к завышенным значениям
удлинений образца Із, а следовательно, и коэффициента
морозостойкости.
Деформация растяжения используется также при
испытаниях на восстанавливаемость образцов или при определении
показателей Т-5039 и ТР40.
В этих испытаниях задается определенная степень
растяжения образцов, после чего последние замораживаются при
достаточно низких температурах, а затем освобождаются и
восстанавливаются при подъеме температуры со скоростью 1 °С в
минуту.
При определении показателя Т-50 растяжение производится
при 20 °С в течение 5—10 мин в среде ацетона, так как
дальнейшее замораживание и испытание происходят тоже в ацетоне,
охлаждаемом сухим льдом. Степень растяжения составляет
75%. Температура замораживания лежит в пределах от —50
до —65 °С. Определяется температура Т-50, при которой
образец восстановится на 50% от своего начального растяжения.
При определении показателя ТР растяжение осуществляется
на тех же образцах в охладительной среде (метаноле) и чаще
всего составляет 250%. Замораживание длится 10 мин при
—70°С. При восстановлении отмечаются температуры,
соответствующие различным степеням сокращения. Обычно
отсчитывают две температуры: ТР10 и ТР70, соответствующие
сокращению на 10% и 70%, вычисляемому по формуле if^L • Ю0,
где Lo, Le, Lt — соответственно длины рабочего участка
образца— начальная, в замороженном состоянии и восстановленного
при данной температуре.
Показатель Т-50 используется главным образом для
определения оптимума вулканизации резин, поскольку чем ближе к
оптимуму, тем эластичнее резина, тем лучше она сокращается
и Т-50 оказывается ниже41.
Для определения показателя Т-50 рекомендованы две
установки39: типа А42, изображенная на рис. 248, и типа Б43.
54
Гл. VIII. Опред. морозостойк. и темпер, хруп, резин
В ацетоновой ванне / (рис. 248) размещаются 16 зажимов с растянутыми
образцами 3. Зажимы 2 неподвижны, зажимы 4 могут быть освобождены при
поднятии собачек 5 (после промораживания образцов). Ацетои циркулирует
по трубам 6 от насоса 7 с мотором 8 через змеевик Р, находящийся в камере 10
с сухим льдом. При подъеме температуры включают нагреватель 12, а
змеевик 9 отключают краном // и прогоняют ацетон по системе, минуя змеевик.
На рис. 249 показана установка для
определения показателя ТР44>45.
Рамка / с образцами закрепляется в
сосуде Дьюара с мешалкой 4 для метанола,
охлаждаемого сухим льдом, и нагревателем
Рис. 248. Установка типа А для определения Т-5042:
/—ванна; 2, 4—зажимы; 3—образец; 5—собачки; 5—трубы;
7—насос; 8—электродвигатель; 9—змеевик; 10—камера; //—кран; 12—
нагреватель.
Рис. 249.
Установка для
определения ТР«> «:
/—рамка; 2—указатели;
3—термометр;
4—мешалка; 5, 7—эажнмы;
б—сосуд Дьюара; 8—
деревянная рамка; 9—
образцы; w—проволоки;
II— гайкн;
12—нагреватель: 13—шкала; 14—
нити; 15—ролики.
12. Сосуд установлен в деревянной рамке 5,
имеющей широкую фронтовую прорезь для наблюдения
за образцами и отсчета температуры. Нижние
зажимы 7 образцов 9 прикреплены к рамке /
неподвижно, а верхние 5 перемещаются при натяжении
проволок 10. При этом степень растяжения образцов 9
указывается индикатором 2 по шкале 13. При
промораживании образцов проволоки закрепляются гайками //. При
восстановлении образцов во время подъема температуры (включается нагреватель) гайки
// ослабляются, образцы начинают сокращаться и иити корда 14,
соединенные с проволоками 10 одним концом, перекинутые через ролики 15 и
уравновешенные с другого конца противовесами в 3—5 гс, свободно движутся по
роликам 15. По термометру 3 отсчитывается температура а по шкале 13—
сокращение образцов.
О морозостойкости резин судят также по их эластическому
восстановлению после сжатия при заданной пониженной
температуре. Соответствующий прибор конструкции НИИРП,
серийно изготовляемый заводом «Металлист», показан на рис. 250.
На нем определяется так называемый коэффициент восстанав-
Методы испыт. резин на мороз, по эластин, св-вам при раст. и сжатии 455
ливаемости формы Кв = -^—г цилиндрических образцов диа-
метром и высотой (ho) 10 ±0,2 мм, промороженных в течение
пяти минут. Измерения производятся после пяти минут сжатия
примерно на 20% (hi— высота сжатого образца) и трех минут
восстановления (hi—высота восстановившегося образца).
Сжатие образца 8, находящегося между
їлощадками 1 и 2 в приборе, погруженном
з сосуд Дьюара с охлаждающей жидко-
:тью и установленном на текстолитовой
крышке 5, производится вращением
маховичка 6. При этом трубка 4, опукаясь,
давит на площадку 2 и сжимает образец. Вы-
:ота сжатого образца измеряется
индикатором 7 посредством стержня 3,
связанного с площадкой 2.
Освобождение образца для
восстановления производится обратным поворотом
маховичка.
Рассмотренные выше методы относятся
к группе испытаний, использующих второй
способ оценки морозостойкости — по
дискретным температурам (в предельном
случае— по одной низкой температуре),
выбор которых весьма условен, хотя и
основан на учете температур в эксплуатации.
Тем не менее, эти методы достаточно
широко распространены, особенно при
специальных испытаниях, поскольку они
отличаются быстротой и сравнительной
простотой, катор: й—образец.
В последнее время приобрели значение определения
динамических свойств при низких температурах и ударных
нагрузках сжатия46 и растяжения47.
Опытный промышленный образец маятника Бидермана с
термокриокамерой изготовлен НИКИМП.
Используется также термостатирование упругометра завода
«Металлист» или аналогичных маятниковых приборов для
определения эластичности по отскоку при низких температурах48,49.
Из методов определения температуры стеклования Тс сле,-
дует прежде всего упомянуть метод ВНИИСК (прибор Марея50).
Здесь Тс определяется как температура, при которой
замороженный и находящийся под постоянной сжимающей нагрузкой
образец при нагревании с определенной скоростью приобретает
способность к эластической деформации. Замораживание произ-
Рис. 250 Прибор
НИИРП для
определения
восстанавливаемости образца
после сжатия:
1, 2—площадки; з—стер«
жень: 4—трубка;
5—крышка; 6—маховичок*. 7—инди-
456
Гл. VIII. Опред. морозосюйк. и темпер, хруп, резин
-80
1-70
30
водится при температуре примерно на 10 °С ниже той, при
которой начинается стеклование.
Образец 12 в виде цилиндра диаметром 6 мм и высотой
5—6 мм (рис. 251) помещается в медном стакане //, служащем
основанием, и медным колпачком 10. Стакан // соединен с
медным стаканом 3 посредством теплоизолирующей фарфоровой
трубки 9 и вставлен в наружный стакан 8, который
навинчивается на резьбу латунного кольца 6 и
помещается непосредственно в сосуд Дьюара
с охладительной жидкостью. Внутри стака«
нов 3 -я 11 движется ходовой винт 5,
основание которого через стеклянный цилиндр 7
соединено с колпачком 10. В основание хо-
so *Vv?? дового винта одним концом упирается
спиральная пружина 4, давящая другим
концом в основание верхнего стакана 3.
При вращении накидной гайки 2 імож-
но поднять ходовой винт 5, а с ним и кол-
^ й пачок 10 (для помещения образца в при-
J :_ , бор). Обратным вращением гайки 2
приводят колпачок 10 в соприкосновение с об-
_3 їразцом. После замораживания образца
вращением накидной гайки освобождают хо-
¦-ДОВОЙ винт так, чтобы обеспечить при этом
достаточное расстояние между накидной
-4 гайкой и ее опорной площадкой.
Пружина 4 создает сжимающую нагрузку в
образце, равную 5 кгс.
Постепенно вьшимая стакан 8 из
сосуда с охлаждающей жидкостью, повышают
температуру со скоростью 1 °С в минуту,
измеряя температуру посредством термо-
-в пары, конец которой находится в
основании нижнего стакана //. Накидная гайка
~9 соединена с ножкой индикаторного микро-
_iq метра /, который измеряет деформацию
образца под действием сжимающей пру-
~/; жины с точностью до 0,01 мм.
Температурой стеклования считается
~*f2 та температура, при которой прираще-
Рис. 251. Прибор Марея для определения
температуры стеклования:
/—индикаторный микрометр: 2—гайка; 3— верхний стакан; 4—
пружина; 5—ходовой вннт; 6—кольцо: 7—цилиндр; в—наружный
стакан; 9—те7ілонзолирующая трубка: 10—колпачок; 11—нижний
стакан; 12—образец.
Методы испыт. резин на мороз, по эластич. св-вам при раст. и сжатии 457
ние деформации образца за 1 мин становится больше
полученного при предыдущем измерении.
Температура стеклования является физической
характеристикой материала, однако, как указывалось выше, ее значение
еще недостаточно для оценки морозостойкости резины.
Показатели Т-50 и ТР являются в такой же степени
условными и не могут полностью оценить резину, как и
коэффициенты морозостойкости, определяемые при отдельно выбранных
температурах.
а
Рис. 252. Устройства для снятяя термомеханяческях крявых:
а—ири сжатии; б—при растяжении; /—образец; 2—пуаисон (при сжатии) или тяга
(при растяжении); 3—груз; 4—зеркальце; 5—шкала; б—противовес; 7. в—зажины;
9—чашечка весов с грузом; Р—величина нагрузки.
Более полную информацию о поведении материала при
низких температурах дает метод снятия термомеханических
кривых, в котором, однако, не учитывается режим механического
воздействия на резину.
Устройства51 для исследования термомеханических кривых
при одноосном сжатии и при растяжении схематически
показаны на рис. 252.
При сжатии (рис. 252,а) образец 1 находится под действием
груза 3. Вес пуансона 2 компенсируется противовесом б.
458
Гл. VIII. Опред. морозостойк. и темпер, хруп, резин
При растяжении (рис. 252,6) образец-полоска / (длиной
5—15 мм, шириной 3—6 мм и толщиной 0,05—1 мм),
укрепленный в зажимах 7 и <5, растягивается под действием груза на
чашечке весов 9. Вес тяги 2 уравновешивается противовесом 6.
Смешение тяги 2, равное удлинению образца, измеряется
оптическим путем. Аналогично при сжатии смещение пуансона 2,
равное сжатию, измеряется поворотом зеркала 4, дающего
отклонение падающего на него луча на шкале 5.
Устройства помещены в термоблоках. Испытание начинаете!
при пониженной температуре; дальнейшие определения
производятся при заданной скорости повышения температуры,
например, 75, 50 и 20 °С в час.
Схема регулятора,
обеспечивающего практически постоянный подъем
температуры во времени, показана
нарис. 253.
Принцип ее — регулирование
температуры с помощью
милливольтметра путем наложения на
регулирующую термопару компенсирующей
э. д. с. от внешнего источника тока.
Скорость роста температуры
обусловлена скоростью роста э. д. с.
Источником последней служит батарея в
2 в. Э. д. с. изменяется реохордом #2
с подвижным контактом.
Перемещение контакта осуществляется при
наматывании шелковой нити на
барабанчик, вращающийся с постоянной
скоростью от мотора Уоррена или
часового механизма. Изменяя
сопротивление R\, меняют скорость роста
компенсирующей э. д. с, а
следовательно, и скорость роста температуры. Э. д. с. измеряется
милливольтметром {mV). Контроль температуры образца
производится термопарой, «горячий» спай которой непосредственно
соприкасается с образцом.
Рассмотренные методы не позволяют найти зависимость
температуры механического стеклования Тс или показателя
морозостойкости Го,і от временного режима деформации.
Найдено21, что для статического режима в пределах
изменения продолжительности действия силы от 30 сек до 1 ч и для
динамического режима в области частот от 0,01 до 1000
периодов в минуту подтверждается зависимость между t — временем
действия силы (полупериодом колебания) и показателем моро-
Рис. 253. Схема
регулятора подъема температу-
' ры:
Rx—переменное сопротивление;
Rz—реохорд; /?з,
R&—сопротивления; mV—милливольтметр.
Методы испыт. резин на мороз, по эластич. св-вам при раст. и сжатии 459
зостойкости ro,i (температурой, при которой коэффициент
морозостойкости равен 0,1), полученная Бартеневым52:
-^-=A + Blgt B)
1 0.1
где А и В — постоянные.
Для определения этих постоянных необходимо испытание
при двух резко различных временах (полупериодах) t.
Методы ASTM и ГОСТ не предусматривают применения
различной продолжительности действия силы и
не могут обеспечить сколько-нибудь
существенного ее изменения.
Для быстрого получения результатов по
влиянию времени целесообразно пользоваться
динамическими методами. В принципе может
быть рекомендован любой прибор для
определения динамических характеристик при
условии соответствующего его термостатирова-
ния и расширения пределов замеряемых
нагрузок либо уточнения замера малых
деформаций. Для этих целей, например, были
приспособлены прибором Корнфельда и УПКМ,
описанные в главе IV.
Прибор УПКМ-353 отличается от
описанного в главе IV прибора для измерения
динамических свойств при многократном сжатии
(см. рис. 155 на стр.298) наличием
приспособления, позволяющего последовательно
испытывать восемь одновременно
промораживаемых образцов, находящихся в сосуде Дьюара
с охлаждающей смесью (рис. 254).
Образцы-цилиндры приклеиваются к
восьмиграннику 3, связанному с лимбом 1,
вращением которого через шестеренчатую
передачу 2 поворачивают восьмигранник, устанавливая один из
образцов в положение для испытания под сжимающим штоколі
прибора.
Установка образцов проверяется по соответствующим
отметкам на лимбе, номера которых обозначают номера
последовательно расположенных образцов. Восьмигранник жестко связан
с барабаном 4, в котором против каждого образца имеется
фиксирующее отверстие. При испытании образца стержень 5,
подтягиваемый пружиной 6, входит в соответствующее фиксирую
щее отверстие, препятствуя этим повороту восьмигранника.
Оттягивая стержень 5 вверх, освобождают восьмигранник для
Рис. 254.
Приспособление к
прибору УПКМ-3:
1—лимб;
2—шестеренчатая передача; 3—
восьмигранник;
4—барабан; 5—стержень: 6—
пружина.
460 Гл. VIII. Опред. морозостойк. и темпер, хруп, резин
поворота его лимбом и подведения под шток для испытания
следующего образца. Опуская вновь стержень, защелкивают
его в фиксирующем отверстии барабана.
В отличие от большинства приборов, на которых испытание
производится в одном режиме деформации, УПКМ дает
возможность определять влияние на механические свойства не
только температуры, но и временного режима деформации. При
этом следует, однако, отметить, что коэффициенты
морозостойкости или другие характеристики, показывающие степень
изменения механических свойств с понижением температуры,
зависят как от режима, так и от величины деформации
(напряженияM4.
Более того; имеет существенное значение конструкция
образца и его размеры10'18.
Все это следует учитывать при нахождении постоянных А
и В уравнения B).
Методы испытания резины на морозостойкость
по эластическим свойствам при изгибе
Показано55, что влияние рецептурных факторов на морози-
стойкость резин более четко проявляется при изгибе.
Один из наиболее старых методов изгиба5657 заключается в
измерении прогиба / резинового образца шириной b и толщиной
h, лежащего на опорах, находящихся на расстоянии / B см)
под действием груза (Р, кгс), приложенного посередине.
Прогиб измеряется с точностью до тысячной доли
миллиметра (при общем прогибе от 0,75 до 2,5 мм). Сначала измерения
проводятся при комнатной температуре (причем подбирают
такой груз, чтобы вызвать прогиб порядка 1 мм за 3 сек), а
затем— после установки прибора в охладительную среду (при
—78°С) и двенадцатиминутного промораживания — находят
изменение прогиба в зависимости от температуры при подъеме
температуры со скоростью 1°С в минуту. Обычно образцы
имеют следующие размеры: длина 28 мм, ширина 6 мм, толщина
от 2 до 6 мм.
Модуль резины вычисляется по формуле:
Е - ™ ^
-
48//
где / — момент инерции сечения образца I / = -^- ).
При нахождении модуля методом изгиба, согласно ASTM58,
стандартизованы образцы длиной 6,25 см, шириной 2,5 мм и
Методы испытания резины на мороз, по эластич, св-вам при изгибе 401
толщиной 6,25 мм; толщина обычно подбирается в зависимости
от модуля резины так, чтобы нагрузка в 1,14 кгс за 10 сек
вызвала прогиб от 0,25 до 0,625 мм.
Расстояние между опорами составляет 50 мм, радиус
закругления опор 4,75 мм. Охлаждение производится в воздушном
термостате. Рекомендованы температуры испытания 0, —40 и
—56,5°С. Прогиб находят по разности отсчетов индикатора
после 10 сек нагружения и через 15 сек после разгружения.
Схема аппарата для
испытания показана на рис. 255.
По британскому стандарту56,
на приборе, принцип устрой-
75.
п
Рис. 255. Прибор для изгиба (по
ASTM D797— 46):
У—индикатор; 2—рычаг; 3, 8—грузы; 4—ноже-
видная опора: 5—стойка под индикатор и
противовес; 6—гайка для подгонки уровня рыча-
чага; 7—гибкая связь: 9—маховичок для
подъема грузов; 10—жесткая опора;
Л—стержень для передачи нагрузки и связи с
индикатором; 12—основание для нагружеиия; 13—
образец; 14—опоры образца; 15—охранные
пальцы.
/
Рис. 256. Прибор для определения
точки размягчения6*:
1—зажим; 2—охладительный бак; 3—рычаг;
4— шкала; 5—стрелка; в—груз;
7—изоляция: 8—образец.
ства которого ясен из схемы на
рис. 256, определяется «точка
размягчения» как температура,
при которой консольно изогнутый под действием груза 20 гс,
на расстоянии 30 мм от места зажимания и замороженный
образец (размерами 32X6,5X1 мм3) при повышении температуры
со скоростью 1 °С в минуту окажется изогнутым на угол в 30°,
Метод изгиба16'59-62 рационально использовать для оценки
морозостойкости резин типа галошных55.
В НИИР55 применяется прибор для определения
коэффициента морозостойкости Лиз. при консольном изгибе, как
отношения изгибающего усилия Ргк, необходимого для изгиба
образца на заданный угол D5°) при нормальной температуре, к
изгибающему усилию Р-Т, требующемуся для изгиба образца
на тот же угол при пониженной температуре: Киз. — Ртк/Р-т-
462
Гл. VIII. Опред. морозостойк. и темпер, хруп, резин
Схема прибора приведена на рис. 257.
Образец / консольно закрепляется в зажиме 2 в горизонтальном
положении. На другой конец образца действует груз 7 в виде емкости переменного
веса, создаваемого путем заполнения емкости жидкостью из резервуара //.
Скорость истечения жидкости из бюретки определяет скорость возрастания
нагрузки. Зажим 2 закреплен на стойке 3 в центре диска, радиус которого
равен радиусу изгиба образца. Прибор установлен в охлаждающей жидкости
в термостате. Груз 7 перед заполнением жидкостью уравновешивается
контргрузом 4. После промораживания образца открывают кран 9 отводной трубки 5
резервуара 11. Образец изгибается, что вызывает перемещение шкалы 6,
находящейся на тросе 10 груза 7, тянущего образец. Перемещение шкалы от-
считывается относительно неподвижной
/ стрелки 5. При изгибе образца на
заданный угол, определяемый по шкале
6, кран 9 закрывается, и изгибающее
// усилие Ртк определяется по расходу'
жидкости из резервуара //.
Определение морозостойкости
резины по эластическим
свойствам при кручении
Если подвергать кручению
упругое тело в виде стержня под
действием скручивающего
момента М(в кг-см), то модуль
сдвига G(b кгс/см2) при зажимной
длине /(в см) равен:
Рис. 257. Прибор НИИР дли
определения коэффициента
морозостойкости:
/—образец; 2—зажим; в—стойка;
4—контргруз; 5—стрелка; 6—шкала; 7—груз: 8—
трубка; 9—кран; 10—трос; //—резервуар.
G = —г- кгс см2
D)
где ф — угол закручивания, градусы;
/ — «момент инерции» для стержня прямоугольного
сечения шириной а (в см) и толщиной Ь (в см) (а>Ь),
равный
/ = ab3u смЧград ус
причем множитель «и» зависит от отношения afb, согласно
данным, приведенным в табл. 1520.
Для материала, не изменяющего своего объема при деформации (т. е.
коэффициент Пуассона равен 0,5), модуль Юнга Е связан с модулем
двига G соотношением ?=3G. При малых деформациях, пренебрегая
временным эффектом, можно приближенно вычислять «кажущийся модуль
упругости» Ева из закона Гука /=?є, где f—напряжение, е—деформация.
Опред. морозостойкости резины по эластич. св-вам при кручении 463
Таблица 15
a?
1,00
1,10
1,20
1,30
1,40
и
2,249
2,464
2,658
2,833
2,990
Зависимость
а/Ь
1,50
1,70
1,90
2,25
2,75
3,50
«и» от а/Ь
• 1!
3,132
3,375
3,573
3,842
4,111
4,373
а/Ь
4,00
5,00
7,00
10,00
50,00
100,0
а
4,493
4,662
4,853
4,997
5,226
5,300
температур2
Известен
I =
0,1
Для сопоставимости результатов условия испытания
должны быть стандартизованы по всем параметрам, от которых
зависит Е.
Резкое повышение модуля
(жесткости) при снижении
температуры или, соответственно,
уменьшение угла закручивания гр
при заданном скручивающем
моменте М связано либо с застек-
лованием, либо с
кристаллизацией; последняя имеет место при
длительном воздействии низких
20 (рис. 258).
целый ряд методов
оценки морозостойкости резины
по определению угла
закручивания при низких температу-
рах20,48,57.63-69
В США стандартизованы два
таких метода в режиме
заданного скручивающего момента:
1) метод Клаша и Берга63'64;
2) метод Гемана20'65.
Последний положен в основу
рекомендации ИСО66.
На рис. 259 показан прибор Клаша и Берга.
Образец / в виде полоски, зажимной длиной 3,794 см, шириной 3,2 мм и
толщиной в пределах 0,1—2,725 мм устанавливается в нижнем неподвижном
зажиме 2 и верхнем зажиме 14, связанном с блоком 7, и промораживается
охладительной смесью в сосуде Дьюара 3 в течение 3 мин при заданной температуре.
Затем вынимается стопорный палец 6, удерживающий блок 7 с грузами 13,
о ю го зо w so so
Время, дни
Рис. 258. Относительное
изменение кажущегося модуля
сдвига, определенного при —40 °С
на торсионном приборе Гемаиа,
в зависимости от времени
промораживания образца из
резины на основе синтетического
каучука,
464
Гл. VIII. Опред. морозостойк. и темпер, хруп, резин
и под действием вращающего момента образец закручивается. Угол
закручивания отсчитывается через 5 сек по шкале 9 на блоке 7, при движении
последнего относительно неподвижной стрелки 10. Время отсчета устанавливается
с точностью до 0,1 сек.
Скручивающий момент, создаваемый грузами 13, подбирается в
зависимости от испытуемой резины в пределах от0,115до \,\5кгс-см с тем, чтобы при
изменении температуры испытания угол закручивания образца составлял не
менее 20° и не более 200°.
8-
Рис. 259. Прибор Клаша и Бер-
га63, 64.
/—образец; 2, 14—зажимы; 3—сосуд
Дьюара; ^—опорная стойка; 5—уровень
смесн; в—палец; 7—блок; в—корд; 9—
шкала; /0—стрелка; //—ролик; 12—
опоры; 13—груз.
Рис. 260. Прибор
Гемана20- «5:
1—стойка; 2—торсионное
устройство; 3— проволока;
4—втулка; 5—указатель;
6—шкала; 7—соединитель;
8—штифт: 9—подвесное
устройство; 10, 12—зажн-
мы; //—образец;
13—камера; 14— термометр.
Схема торсионного прибора Гемана представлена на
рис. 260.
На стойке / закреплены основные части прибора:
1) торсионное устройство 2, состоящее из проволоки 3,
находящейся во втулке 4 и закрепленной верхним концом в
закручивающем устройстве (головке); проволока 3 связывается
нижним концом через винтовой соединитель 7 с поворотными
штифтами 8, несущими верхний зажим 10 образца //,
2) цилиндрическое подвесное устройство 9, на котором в
зажимах 10 и 12 подвешены образцы // и которое вставляется
в изолированную цилиндрическую камеру 13;
Опред. морозостойкости резины по эластич. св-вам при кручении 465
3) камера 13 с охлаждающей средой; температура
последней измеряется термометром 14.
Помимо описанных частей, к прибору имеется охладительное
устройство типа ранее описанных.
Для проведения испытания сначала при 23±3°С проволока
закручивается на угол 180а; угол закручивания отмечается
указателем 5 по дисковой шкале 6; конец проволоки посредством
связей 7, 8 соединяется с верхним зажимом 10 испытуемого
образца*, а нижний зажим 12 закрепляется неподвижно;
после 10 сек закручивания образца, происходящего при
раскручивании проволоки, измеряется угол ее обратного
поворота ф.
После промораживания образца в течение 5 мин, проводят
испытания при выбранных пониженных температурах;
промежутки между температурами составляют 5—10°С.
Сменные торсионные проволоки длиной 6,5±0,8 см
характеризуются постоянными кручения в 0,125; 0,500 или
2,00 г • см/градус кручения; проволока для испытания
выбирается в зависимости от испытуемого материала так, чтобы угол
закручивания образца при температуре 23±3°С лежал в
пределах 120-170°.
При калибровке проволоки с целью нахождения постоянной
кручения к концу вертикально подвешенной проволоки
центральной частью в горизонтальном положении прикрепляется
стержень длиной 200—250 мм и диаметром около 8 мм.
Стержень поворачивается примерно на угол 90°, закручивая
проволоку, и начинает свободно колебаться в горизонтальной
плоскости. Отмечается время (в сек), необходимое для двадцати
полных колебаний (считая за колебание взмах из одного
крайнего положения в другое и возврат в начальное положение).
Момент инерции стержня (г-см2) равен-pr» где тп— масса
стержня (в г), її — его длина (веж).
Постоянная кручения К (г- см/градус кручения) вычисляется
из формулы:
Л — 12Г2-180-981 — 540-981Р ' '
где Т—период колебания стержня, сек.
Постоянная кручения представляет собой момент,
возникающий при закручивании проволоки на один градус.
• Образец длиной 3.8±0,25 см, шириной 0,32±0,002 см н толщиной 0,19±
±0,02 см имеет зажимную длину 2,50±0,03 см.
30—2406
466
Гл. VIII. Опред. морозостойк. и темпер, хруп, резин
По ИСО66 следует, что кажущийся модуль сдвига равен
G U, У1 од A80 — ф)/ /9 /s\\
— _i-_ и [ /сгс/см* (о)
К недостаткам методик испытания на приборах как Клаша
и Берга, так и Гемана, следует прежде всего отнести отсутствие
оценки временного режима нагружения.
Более того, скорость приложения
скручивающего момента не регламентирована,
а времена отсчета от начала
деформации, которые влияют на показатель угла
закручивания, задаются произвольно.
Поскольку скручивающий момент под-
-^vs а гт" бирается так, чтобы значения угла зак-
|Т ][ -^ ' п ручивания, меняющиеся с температурой,
' '' лежали в определенных пределах, то для
разных материалов условия испытания
оказываются неодинаковыми. Вслед
ствие этого сопоставление различных
материалов по существу не совсем
правомерно.
Метод Клаша и Берга нашел более
широкое применение для оценки
маложестких пластиков, а метод Гемана —
для резин и каучукоподобных
материалов.
Недавно70 в ФРГ выпущен стандарт,
основанный на методе закручивания с применением
динамических деформаций, а именно свободных
затухающих колебаний образца.
На рис. 261 показана принципиальная
схема69 торсионного маятника, используемого для
этих целей. Различные конструкции прибора
описаны в отдельных работах48',715. Для испытания,
по DIN 5344550, предназначены приборы Шмиде-
ра и Вольфа56, Куна'3, Нельсена74.
Образец 3 (рис. 261) квадратного поперечного сечения @,375 см-0,375 см)
длиной 8,0 см подвешен в зажимах 1 и 4 на нижнем конце вертикальной
проволоки 8, жестко закрепленной верхним концом 9 и несущей каретку 5 с
горизонтальным стержнем 6 и грузами 7.
Стержень 6 закручивается на небольшой угол, вызывая кручение
проволоки 8 образца 3, а затем отпускается. Происходят затухающие колебания
горизонтального стержня и каретки. Измеряются период колебания Т,
логарифмический декремент (затухание колебаний) 5, момент инерции /.
Динамический модуль сдвига (его вещественная составляющая) равен:
Рис. 261. Схема
испытания на торсионном
маятнике.
/, 4—зажимы;
2—вакуум-склянка с охлажденным воздухом;
3—образец; 5—каретка;
6—стержень; 7— груз; 8—проволока;
9—крепление.
С = А [4 тс2 + 52) ЧТ* — S]
G)
Другие методы оценки морозостойкости резин 467
Мнимая часть динамического модуля находится из выражения:
G" = (уо) = Л-8то//Г2 (8)
где S—«торсионная жесткость» (постоянная кручення) проволоки;
Л—7,1 //а»;
I—длина образца;
а—сторона поперечного сечения (образца).
Резиновый образец помещается в вакуумной склянке 2, где циркулирует
охлажденный воздух. Когда жесткость резины повышается вследствие
охлаждения, соответственно меняется момент инерции (грузы) так, чтобы сохранить
постоянным период вибрации B,5+0,5 сек).
При испытании по D1N70 образец имеет размеры 60x10x1 мм3 и
зажимается на расстоянии 50 мм. Момент инерции системы должен составлять
310 г-см2.
Метод торсионного маятника, как все методы свободных затухающих
колебаний (см. гл. IV), не может быть использован в широком диапазоне частот
колебаний, но позволяет частично оценить влияние временного фактора. Однако
по DIN70 стандартизован один момент инерции. Сопоставлять различные
материалы более обосновано при одинаковых условиях, хотя выбор их,
естественно, произволен.
Таким образом, очевидно, что среди методов кручения, как и методов
изгиба, нет ни одного, позволяющего измерить деформационные свойства при
низких температурах в достаточно широких пределах частот (скоростей) или
времен нагруженин.
Другие методы оценки морозостойкости резин и влияния
степени кристаллизации на механические свойства
Среди других методов, применяемых для оценки
морозостойкости каучуков и резин, широкое распространение получило
определение твердости.
Являясь достаточно простыми, эти испытания используются
как для сравнения твердости, измеренной при заданных
пониженных температурах, с показателем твердости при комнатной
температуре, так и для снятия термомеханических кривых.
В зависимости от времени промораживания испытуемого
материала, может быть изучено также влияние степени
кристаллизации34' 48> 56> 66> 7°.76; последняя может быть определена
рентгеносьемкой14'49.
При изучении температурных зависимостей механических
свойств в ASTM рекомендованы77 следующие температуры:
-75;—55;-40;—25;—10; 23 °С.
Испытания на твердость с помощью твердомера типа Шора
недостаточно точны и их трудно интерпретировать76.
Применяется78 погружение в резину индентора с наконечником в виде
полусферы, по методу ASTM79.
Описан ряд других вариантов испытаний при низких
температурах: на твердомере фирмы «Уоллес»70-80, пенетрометре81,
30*
468
Гл. VIII. Опред. морозостойк. и темпер, хруп, резин
специальном приборе, рассчитанном на одновременное
испытание большого количества образцов82.
В СССР приспособлен прибор ТШМ83 для измерения в
тепловой камере при повышенных и пониженных температурах.
Соответственно, камера 6 (рис. 262) обогревается электрическим
нагревателем или охлаждается сухим льдом. Весь прибор 8,
за исключением индентора, размещен над термостатом, где на
круглом диске 3 закрепляется до
шести образцов 2, 5. Вращение
диска с образцами
осуществляется вынесенной за пределы
камеры рукояткой // через систему
конических шестерен /, 9.
На оси шестерни / на
наружной стороне камеры расположен
диск 10, а над ним крышка 13 с
прорезями. Повороты дисков 3
и 10 согласованы так, что, когда
под индентор подходит один из
образцов, находящихся на диске
3, с прорезью 12 крышки 13
совпадает затемненное поле диска
10. Таким образом можно, не
открывая камеры, последовательно
испытывать все находящиеся в
ней образцы.
Исследование степени
внедрения (пен'етрации) индентора под
постоянной нагрузкой при
непрерывно возрастающей (по
линейному закону) температуре
образца с помощью
усовершенствованной методики13-51'84 позволяет автоматически записывать
термомеханические кривые.
Запись ведется на электронном потенциометре ЭПП-09:
каретка с пером самописца продвигается пропорционально э.д.с.
термопары, определяющей температуру исследуемого образца.
Диаграммная лента передвигается пропорционально
погружению индентора в образец. Для этого индентор связан с
контактным датчиком электронного реле, включающим мотор
лентопротяжного механизма потенциометра.
Охлаждение массивного блока, в котором находится
образец, достигается погружением блока в сосуд Дьюара с жидким
азотом. В блоке имеется нагреватель, действующий от датчика
программного нагрева.
Рис. 262. Прибор ТШМ83 с
камерой для испытаний при различных
температурах:
/, 9—шестерни; 2, 5—образцы: 3. 10—диски:
<—иидентор; 6—камера; 7—стержень; 8—
прибор ТШМ; //—рукоятка; 12—прорези;
13—крышка.
Литература 469і
Описанные в главе II испытания на кажущуюся остаточную
деформацию, ползучесть и релаксацию напряжения при
кручении, а также ряд испытаний на ползучесть при сдвиге85 и
релаксацию напряжения при растяжении и сжатии78'85~87 могут
быть использованы для суждения о морозостойкости резин.
Для определения остаточной деформации применяют
сжатие88 по ASTM D395—55. Измерения производятся при
комнатной температуре, а затем при —7, —20, —40, —54°С. Эти мего-
ды могут дать представление о влиянии кристаллизации.
Поэтому при каждой температуре образцы промораживаются в
течение 22 либо 94 я. Нагружение образцов длится 30 мин.
Измеряются высота образца: начальная (до нагружения) h0, в
сжатом состоянии hs (согласно методу В—по высоте
ограничителей, положенных между сжимающими площадками), а также
через 10 сек и 30 мин после снятия нагрузки (/гю и /гзо).. Все
измерения производятся в холодильной камере.
Показателем «остаточного» сжатия служит отношение
С = , ° , где h соответствует либо Аю, либо изо.
Как отмечалось в главе II, величина С кажущейся
остаточной деформации показывает потерю резиной списибниіли к
быстрому восстановлению в практически реализуемые времена
наблюдения в связи с механическим стеклованием при низких
температурах нли частичной кристаллизацией.
Испытание на сжатие имеет большое практическое значение
для прокладочных резин82'89.
Поскольку степень кристаллизации зависит от длительности
промораживания, сопоставление результатов испытания
различных резин возможно только для одинаковых времен
пребывания при низких температурах. Последнее относится также и к
испытаниям на ползучесть и релаксацию напряжения. По
существу, в последних испытаниях трудно разделить влияние
стеклования и кристаллизации.
Рассмотренные виды испытаний в настоящее время
являются основными для оценки морозостойкости резин, однако
имеется неограниченная возможность их расширения, поскольку в
принципе о морозостойкости можно судить по изменению
любого механического (и немеханического) свойства при низких
температурах.
ЛИТЕРАТУРА
1. П. П. К о б е к о, Аморфные вещества, Изд. АН СССР, 1952; П. П. К о-
беко, Е. В. Кувшинский, Г. И. Гуревич, Изв. АН
СССР. сер. физич., № 6, 329 A937); П. П. К о б е к о, Г. И.
Гуревич, Каучук и резииа, № 10, 22 A939); ЖФХ, 12, 685 A940).
470 Гл. УШ. Опред. морозостойк. и темпер, хруп, резин
2. А. П. Александров, Труды 1-й и 2-й коференций по
высокомолекулярным соединениям, Изд. АН СССР, 1945; А. П.
Александров, Ю. С. Л а з у р к и н, ЖТФ, 9, 1249 A939); Каучук и резина,
№ 10, 34 A939) Ю. С. Л а з у р к и н, Каучук и резина, № 8, 16
A939); ЖТФ, 9, 1261 A939); Ю. С. Л а з у р к и н, Р. Л. Ф о-
гел ьсон, ЖТФ, 21, 267 A951).
3. Л. Т р е л о а р, Физика упругости каучука, перев. с англ. под ред.
Е. В. Кувшинского, Издатинлит, 1953.
4. Т. А л ф р е й, Механические свойства высокополимеров, перев. с аигл.
под ред. М. В. Волькенштейна, Издатинлит, 1952.
5. В. А. К а р г и н, Г. Л. Слонимский, Краткие очерки по физико-
химии полимеров, Изд. МГУ, 1960.
6. Б. А. Д о г а д к и н, Химия и физика каучука, Госхимиздат, 1947.
7. Г. С. У и т б и, К- К- Д э в и с, Р. Ф. Д а н б р у к, Синтетический
каучук, гл. XII, перев. с англ. под ред. И. В. Гармонова, Госхимнздат,
1957.
8. В. А. Карго, Т. И. С о г о л о е а, ЖФХ, 23, 530 A949); В. А.
Карги н, Г. Л. Слонимский, ДАН СССР, 62, 239 A948);
ЖФХ, 23, 563 A949).
9. Г. М. Бартенев, ДАН СССР, МО, 805 A956).
10. Г. М. Бартенев, В. Д. Зайцева, Высокомол. соед., 1, 1309
A959); Каучук и резина, № 7, 16 A962).
11. В. А. Картин, М. Н. Штединг, Хим. пром., № 2, 74 A955);
B. А. Карго, Ю. М. Мал и не кий, ДАН СССР, 72, 5 A950).
12. М. Н. Штединг, В. А. Картин, Высокомол. соед., 4, 720 A962).
13. Б. Я. Т е и т е л ь б а у м, Высокомол. соед., 4, 655 A962).
14. В. И. К а с а т о ч к и н, Б. В. Лукин, в сб. «Исследования в
области высокомол. соединений», № 4, Изд. АН СССР, 1949.
15. ASTM D832—56Т. Tentative Recommended Practice for Conditioning of
Elastomeric Materials for Low-Temperature testing.
16. N. Bekkedahl, L. A. Wood, J. Chem. Phys., 9, № 2, 193 A941);
Ind. Eng. Chem., 33, 381 A941); N. Bekkedahl, R. В. Scott,
J. Res. Nat. Bur. Stand., 29, № 1, 87 (R. P. № 1487), A942).
17. S. D. G e h m a n, P. J. Jones, С S. Wilkinson, Ind. Eng.
Chem., 42, № 3, 475 A950); J. R. В e a t t y, J. M. Davis, J. A p-
p 1, Physics, 36, 738 A944); T. B. Gregory, J. P о с k e 1, T. S.
Stiff, India Rubb. World, 117, 611 A947).
18. Г. М. Бартенев, Труды НИИРП, сб. 1, 1954, стр. 62.
19. Ю. С. Лазуркин, Р. Л. Ф о г е л ь с о н, ЖТФ, 21, 267 A951).
20. ASTM D1053—58Т. Tentative Method of measuring low-temperature
stiffening of rubber and rubber-like materials by means of a torsional wire
apparatus.
21. Г. M. Б a p T e и е в, С. Б. Р а т и е р, Н. М. Новикова,
К. С. Коненков, Хим. пром., № 4, 32 A954).
22. С. Б. Р а т н е р, М. М. Р є з н и к о в с к и и, Ю. С. Зуев, Зав.
лаб., № 7, 849 A954).
23. К- В. Ч м у т о в, Техника физико-химического исследования, гл. III,
Госхимнздат, 1948.
24. F. L. Graves, A. R. Davis, India Rubb. World., 109,41A943);
Т. R. G. Lewis, Trans. IR1, 21, 375A946); M. L. S e 1 k e r,
G. G. Wins pear, A. R. Kemp, Ind. Eng. Chem., 34, 157 A942);
C. К- Chatten, S. A. E 1 1 e г, Т. А. Werkenthin, Rubb.
Age (New. York), 54, 429 A944); Rubb. Chem. Technot., 17,751A944).
25. ASTM D736—54T. Tentative Method of Test for low-temperature brittleness
of rubber and rubber-iike materials.
Литература 471
26. R. E. Morris, R. R. James, T. A. Werkent hin, Ind.
Eng. Chem., 35, 864 A943).
27. ГОСТ 7912—56. Резина. Методы испытаний. Определение температуры
хрупкости.
28. Е. F. Smith, G. J. Dienes, ASTM Bulletin, № 154, 46 A948).
29. ASTM D746—57T. Tentative Method of Test for Brittleness Temperature
of Plastics and Elastomers by impact. ,'
30. H. G. В і mm er man, W. N. Keen, Ind. Eng. Chem., Anal. Ed. '
16, 588 A944).
31. F. L. Grave s, India Rubb. World, 113, 521 A946); Rubb. Chem. Tech-
nol., 19, 844 A946).
32. A. R. Kemp, F. S. Malm, G. G. W і n s p e a r, Ind. Eng. Chem.,
35, 488 A943).
33. F. H. Edwards, Engineering, № 4794, 113 A958).
34. S. Pickles, Rubb. J., 130, 594 A956); Chem. a. Ind., 75, 274 A956).
35. ISO/TC 45 (Secretariat-250) 380, January, 1958. «Draft ISO proposal for
determination of the impact brittleness temperature of vulcanized natural
and syntheric rubber»; ISO/TC 45 (Secretariat-344) 535, April, 1960.
«Second draft proposal for the determination of the impact resistance of
vulcanized natural and synthetic rubber».
36. E. A. W. Hoff, S. Turner, ASTM Bulletin, № 225, 58, 1957.
37. J. Cornfield, N. Mantel, J. Am. Stat. Ass., 45, 181 A950).
38. ГОСТ 408—53. Определение морозостойкости резины на приборе НИЭИРП.
39. ASTM D599—55. Standard Method of Test for Physical state of Cure
vulcanized rubber (Test T-50).
МП * гтії тлил гпт* T z-t: »А„И 1 _f Т„„+ Г „..~ 1., „ f : „rt 1Лп, fnt-nnnpo
4VJ. ftOlJ'l U LO^V UUJ. IClllflLIVC J4CHIUU Ul JLJl IUI \_ v ciA uiu l і n& і v, -• ^и.^ч.1-
ture characteristics of rubber and rubberlike materials by a temperature-
retraction procedure (TR Test).
41. Rubb. World, 136, № 6, 878 A957).
42. W. F. T u 1 e y, India Rubb. World, 97, 39 A937).
43. W. A. Gibbons, R. H. G e r k e, H. С T і n g є у, Ind. Eng.
Chem., Anal. Ed., 5, № 4, 279 A933).
44. J. F. Svetlik, L. R. S p e r b e г g, India Rubb. World, 124, 182
A951).
45. O. H. Smith, W. A. H e г m о n a t, H. E. H a x o, A. W.
Meyer, Anal. Chem., 23, 322 A951).
46. Г. M. Бартенев, H. M. Новикова, Коллоид, ж., 21, 3 A959).
47. M. М. Р є з н и к о в с к и й, В. С. Юровская, Б. А. Д о г а д-
к и н, Коллоид, ж., 14, 444 A952).
48. L. М и 1 І і n s, Trans. IRI, 21, 247 A945); P. D u г о и, Rev. Gen. Caout.,
25, № 7, 292 A948).
49. R. Shaw, India Rubb. World, 122, № 4, 421 A950).
50. А. И. M a p e Й, в сб. «Материалы научно-технической конференции
по усовершенствованию и стандартизации методов физико-механических
исследований и испытаний каучука и резины», Госхимиздат, 1951.
51. Б. Л. Цейтлин, В. Н. Г а в р и л о в, Н. А. Беликове к а я,
В. В. Коган, Зав. лаб., 22, № 3, 352 A956).
52. Г. М. Бартенев, ДАН СССР, 69, 373 A949).
53. Г. М. Бартенев, Н. М. Новикова, Каучук и резина, № 7,
28 A960). ГОСТ 10672—63 Резина. Метод определения морозостойкости
при сжатии.
54. А. В. Сидорович, В. Е. В а щ е н к о, Е. В. К у в ш и н с к и й,
ЖТФ, 29, 514 A959).
55. Д. Л. Ф е д ю к и н, Н. В. 3 а х а р е н к о, в сб.
«Физико-механические испытания каучука и резины», Госхимиздат, 1960, стр. НО (Труды
НИИШП, № 7); Каучук и резина, № 9, 43 (I960).
472 Гл. VIII. Опред. морозостойк. и темпер, хруп, резин
56. О. Umminger, Kautschuk u. Gummi, 14, WT1 A961); Brit. Stand.-B.
S. 1493 : 48, Part F.
57. E. A. Koch, Kautschuk, 16, 151 A940); Rubb. Chem. Technol., 14, 799
A941).
58. ASTM D797—46. Standard Method of Test for Joung's modulus in flexture
of natural and synthetic elastomers at normal and subnormal temperatures.
59. N. В е к к e d a h 1, J. Res. Nat. Rur. Stand., 13, № 3, 411 (R. P. N 717),
1934.
€0. J. W. L і s к a, Ind. Eng. Chem., 36, 40 A944); F. S. Conant, J. W.
L і s к a, J. Appl. Phys., 15, 767 A944).
61. R. F. Boy er, R. S. Spenser, J. Appl, Phys., 15, 398A944).
62. G. R. К і s h, Rubb. Age (New York), 53, 131 A943).
€3. ASTM D1043—51. Standard Method of Test for Stiffness properties of non-
rigid plastics as a function of temperature by means of a torsional test.
64. R. F. Clash, R. M. Berg, Ind. Eng. Chem., 34, 1218 A942); Mod.
Plast., 21, 119 A944).
65. S. D. G e h m a n, D. E. W о о d f о r d, С S. Wilkinson, lnd.
Eng. Chem., 39, 1108 A947).
66. ISO/TC 45 Doc. № 387; Doc. № 752 (Secretariat-535), 1964.
67. Church, Daynes, J. Rubb. Res., 4, 41 A939); F. L. J e r z 1 e y,
D. E. Fraser, Ind. Eng. Chem., 34, 332 A942); В і 1 m e s, J. Soc.
Chem. Ind., 63, 182 A944).
68. Л. В. Иванов а-Ч умакова, П. А. Ребиидер, Коллоид.
ж., 18, 429 A956); ДАН СССР, 81, 239 A951); А. С. К о л б а и о в-
с к а я, П. А. Ребиидер, Коллоид, ж., 12, 194 A950).
69. J. Z. Licht man, С. К- Chatten, Anal. Chera., 24, 812 A952);
Rubb. Chem. Technol., 26, 166 A953).
70. DIN. 53445 Torrionsschwingung—versuch.
71. W. Fletcher, A. N. Gent, R. 1. Wood, Proceed. III Rubber
Technol. Confer. 1954, p. 382.
72. W. F. В a r t h о e, India Rubb. World, 105, 570 A942).
73. W. Kuhn, О. К u n z 1 e, Helv. Chim. Acta, 30, 893 A947).
74. L. E. Nielsen, Rev. Sei. Instr., 22, 690 A951); J. Am. Chem. Soc,
75, 1435 A953); ASTM Bulletin, № 165, 48 A950).
75. F. L. Collins, G. J. Hunt, U. K- Ministry of Supply, Chemical
Inspectorate Report 101, London, 1955, p. 18; Rubb. Abs., 34, 408 A956).
76. J. R. Scott, Trans. IR1, 11, 224 A935); J. Rubb., Res., 17, 1 A948).
77. ASTM D1349—58T. Tentative Recommended Practice for Standard test
temperature for rubber and rubber-like materials.
78. M. H a n о k, J. Z. L і с h t m a n, С. К. Chatten, G. Adler,
Rubb. Age (New York), 82, 275 A957).
79. ASTM D1081—49T. Tentative Method of Test for evaluating pressure sealing
properties of rubber and rubber-like materials.
80. F. N. B. Bennett, Proc. 1R1, 6, 26 A959).
81. H. E. Greene, D. L. L о u g h b о г о u g h, J. Appl. Phys., 16, 3
A945).
82. F. L. J e r z 1 e y, D. F. Fraser, Ind. Eng. Chem., 34, 332 A942);
H. M. Lee ре г, India Rubb. World, 115, 215, 222 A946).
83. M. А. Ц ы д з и к, С. А. Иванова, А. И. Л у к о м с к а и,
Т. Н. Басаргина, А. Д. Пояркова, Труды НИИШП,
сб. 4, Госхимиздат, 1957, стр. 126.
84. Б. Я. Т е й т е л ь б а у м, Передовой научно-технический и
производственный опыт, ЦИТЭИН, серия 32, № 412, 1961; Б. Я. Тейтель-
б а у м, М. П. Д и а и о в, М. Г. Б е р е г о в с к а я, Т. А. Я г-
ф а р о в а, Каучук и резина, № 8, 3 A962).
Литература 473
85. J. M. Bu ist, R. L. Stafford, Trans. IRI, 29, 238 A953).
86. С. К. Chatten, W. E. S с о v і 1 1, F. С. С о n a n t, ASTM
Bulletin. № 217, 47 A956); S. А. Е 1 1 e r, ASTM Bulletin, № 207, 78
A955).
87. W. С M а с d о n а 1 d, A. U s h а к о f f, Rubb. Chem. Technol., 22,
828 A949); С M. Blow, W. P. F. Fletcher, India Rubb. J..
106, 403 A944); С D. Wilkinson, S. D. G e h m a n, Anal,
Chem., 22, 1439 A951).
88. ASTM D1229—55. Standard Method of Test for Low-Temperature
Compression Set of Vulcanized Elastomers.
89. R. E. Morris, J. W. H о 1 1 і s t e r, A. E. Barrett, Ind. Eng.
Chem., 42, № 8, 1581 A950); E. F. G г e e n I e a f, Rubb. Age (New
York), 68, № 5, 557 A951).
Г л а в а IX
ИСПЫТАНИЕ РЕЗИНЫ НА ТРЕНИЕ И ИСТИРАНИЕ
і. особенности тгения и истирания резины
О трении резины
Силой трения называют тангенциальное сопротивление,
возникающее в плоскости касания двух тел, сжимаемых
нормальной силой1.
В идеальном случае трение не связано с износом, т. е.
поверхностным разрушением материалов. Б реальных узлах
трения некоторое изнашивание всегда имеет место, однако
связанная с этим работа составляет ничтожную часть общей
работы трения и ею, как правило, можно пренебречь.
Основной закон трения, приближенно справедливый для
любых пар, имеет вид:
F = \lN A)
где F — тангенциальная сила;
N — нормальная сила;
(і — коэффициент трения.
Приближенный характер соотношения A) проявляется в
том, что фактически коэффициент трения ц существенным
образом зависит от нормальной нагрузки и скорости
скольжения.
В наиболее практически важном случае контакта резины с
относительно твердыми телами увеличение контактной нагрузки
приводит к уменьшению коэффициента трения, возрастание же
скорости скольжения изменяет его по кривой с максимумом,
соответствующим тем большим значениям скорости скольжения,
чем выше степень шероховатости опорной поверхности.
Надо отметить, что влияние скорости скольжения (если она
не очень мала) практически не удается исследовать в
изотермических условиях из-за тепловыделения в контактирующих
поверхностях.
Поскольку повышение температуры, как правило, снижает
коэффициент трения, некоторые исследователи склонны
приписывать влиянию температуры и нисходящую ветвь скоростной
/. Особенности трения и истирания резины 475
зависимости этого коэффициента. В области очень малых
скоростей замедление скольжения всегда приводит к уменьшению
значения коэффициента трения.
Не вполне ясным представляется вопрос о трении между
резиной и твердыми телами с относительно гладкой поверхностью
[при скорости скольжения, стремящейся к нулю.
Понятие так называемого коэффициента трения покоя,
определяемого как отношение тангенциальной силы (вызывающей
переход от покоя к скольжению) к соответствующей
нормальной нагрузке, в значительной мере условно, поскольку этот
коэффициент весьма существенно зависит от длительности
неподвижного контакта и скорости приложения тангенциальной силы.
Согласно работам2, этот коэффициент не имеет физического,
смысла и обращается а нуль, если длительность неподвижного
контакта стремится к нулю.
В настоящее время различают два вида взаимодействия тел
при трении3. Первый обусловлен чисто поверхностными
(адгезионными) силами, действующими в местах контакта и
препятствующими скольжению (поскольку оно связано с нарушениями
соответствующих локальных связей). Второй вид
взаимодействия— деформация поверхностных слоев, обусловленная
взаимным внедрением выступов и неровностей, имеющихся на
соприкасающихся поверхностях. Скольжение приводит к
многократным циклическим деформациям на неровностях. Работа сил
трения в этом случае есть механические потери на гистерезис при
циклических деформациях.
В первом приближении считают, что сила трения может быть
представлена суммой:
F = Fa + Fr B)
где Fa и Fr—соответственно адгезионная и гистерезисная
компоненты этой силы.
Адгезионная составляющая зависит от межмолекулярного
взаимодействия на контактах и суммарной площади этих
контактов:
Fa = AS* C)
где А — среднее значение сдвиговой прочности адгезионных
связей;
5ф — фактическая или истинная площадь контакта.
/При контакте твердых тел с неидеально гладкой
поверхностью 5ф составляет лишь небольшую часть номинальной
площади контакта SH'.
476 Гл. IX. Испытание резины на трение и истирание
Помимо номинальной площади контакта, очерченной размерами
соприкасающихся тел, необходимо различать так называемую контурную площадь
соприкосновения (SK), представляющую собой площадь контакта,
образованную при объемном смятии тел. Контурная площадь контакта, в отличие от
номинальной, зависит от нагрузки и геометрических очертаний поверхности.
Особенно сильно контурная площадь зависит от нагрузки для образца,
имеющего сферическую или цилиндрическую форму. Как будет показано ниже,
последний случай особенно важен, поскольку он реализуется при испытаниях
на истирание кольцевых резиновых образцов.
В паре мягкая резина — твердое тело достигается более
совершенный контакт. С возрастанием нормальной нагрузки S$
растет и в пределе может оказаться равной контурной площади
контакта.
Если принять, что А не зависит или слабо зависит от
контактного давления, то из соотношения C) следует, что Fn с
возрастанием N стремится к некоторому предельному
значению
* а (макс.) = "іи D)
При этом адгезионная составляющая коэффициента трекия
На должна убывать с ростом контактного давления.
Вследствие релаксационной природы упругости резины
деформация ее в местах контакта развивается во времени. Отсюда
следует, что номинальная площадь контакта, а значит и Fa,
является функцией как длительности неподвижного контакта, так
и скорости перемещения скользящего контакта.
Таким образом, возникает возможность объяснить
уменьшение коэффициента трения со скоростью скольжения
релаксационной природой деформации резины на неровностях твердой
опоры.
Адгезионная природа трения наиболее отчетливо
проявляется при трении резины по относительно гладким и сухим
поверхностям. Введение жидкостной, в частности водяной, смазки в
этом случае резко уменьшает адгезию и трение.
При трении резины по твердым шероховатым поверхностям
роль адгезионной составляющей становится менее значительной
в связи с уменьшением площади касания. С другой стороны,
возрастает роль гистерезисной составляющей, которая тем больше,
чем больше местные концентрации напряжений на неровностях
твердой опиры и чем больше относительный гистерезис резины
(Г) при динамическом narpj-жении.
Один из вариантов гистерезисной теории внешнего трения
приводит к следующему приближенному соотношению4,
основанному на предположении, что динамические свойства рези-
/. Особенности трения и истирания резины 477
ны могут быть описаны с помощью модели вязко-упругого
F = \iN = -^-=-iV E)
тела*:
где т]к и ?к — соответственно коэффициент вязкости и модуль
упругости в модели Кельвина;
U— скорость скольжения;
г — средний радиус кривизны неровностей твердой
опоры.
Соотношение E) приближенно, поскольку модель (см.
главу IV) недостаточна для описания вязко-упругих свойств резины
при динамическом нагруліении.
Согласно соотношению E) должна, однако, наблюдаться
аналогия между температурной и скоростной зависимостями
для внешнего трения, с одной стороны, и относительным
гистерезисом при динамическом нагружении, с другой.
Такая аналогия действительно имеет место. На ней, в
частности, основываются попытки построения молекулярно-кинетиче-
ской теории трения, в основе своей сходной с теорией течения
вязких жидкостей2'5'6. В этой же связи представляет большой
интерес работа7, в которой данные по скоростной зависимости
коэффициента трения были получены при разных температурах
и обработаны на основе принципа температурно-временной
суперпозиции. Авторы получили очень хорошее согласие между
частотной зависимостью динамических свойств и скоростной
зависимостью коэффициента трения. В этой же работе развита
оригинальная теория дискретного скольжения при трении
резины по гладким поверхностям. По этой теории, скольжение
резины осуществляется скачками. Скачки имеют место при
нарушении местных адгезионных связей. В период между скачками
общее перемещение тела осуществляется за счет упругих
деформаций элементов поверхностного слоя. Поскольку такие
деформации в процессе скольжения происходят непрерывно и носят
циклический характер, они также приводят к рассеянию
энергии за счет гистерезиса, и, таким образом, показатель
относительного гистерезиса входит множителем и: в так называемую
адгезионную компоненту скольжения.
Связь между внешним и внутренним трением резины
нуждается, конечно, в дальнейшем изучении. Все же можно
утверждать, что при данной геометрии твердой опоры коэффициент
трения резины по ней тем больше, чем больше адгезионное взаи-
Модель, представляющая собой сочетание пружины с модулем Ек и
вязкостью^, соединенных параллельно (см. раздел 1 главы И)
478 Гл. IX. Испытание резины на трение и истирание
модеиствие между резиной и материалом контртела и чем
больше относительный гистерезис при динамическом нагружении
'резины. Поскольку величина относительного гистерезиса зависит
от динамического режима нагружения, последний должен
характеризоваться температурой скользящего контакта и той
эффективной частотой, которая зависит от окорости скольжения и
геометрии опоры.
Об истирании резин
Основные понятия и определения
Истирание резины является сложным процессом, механизм
которого существенно зависит от совокупности условий, его
вызывающих.
Истирание имеет место при трении, сопровождающем
скольжение. Механическими параметрами, характеризующими
процесс скольжения, являются нормальная нагрузка N, сдвиговое
усилие F и скорость скольжения U. Особое значение имеет
также геометрия и природа трущихся поверхностей.
Из немеханических параметров в первую очередь следует
учитывать температуру в области скользящего контакта.
Связь между механическими параметрами процесса
скольжения описывается в первом приближении линейным законом
трения:
Коэффициент трения скольжения [і, в свою очередь, сложным
образом зависит от скорости скольжения:
откуда следует, что при сравнительных испытаниях различных
резин на износ из трех механических параметров (F, N, U)
произвольное значение может задаваться лишь двум из них.
Таким образом, необходимо различать;
режим А — задаются N и U;
режим Б — задаются F и U;
режим В — задаются F и N.
іПри сравнительных 'испытаниях, когда истираемость
характеризуется весом или объемом резины, іистертой за данное
время при регламентированных условиях, вопрос о выборе между
тремя перечисленными режимами испытания важен, если
сопоставляемые резины различаются значениями коэффициента Т е-
/. Особенности трения и истирания резины 479
ния по данной истирающей поверхности и характером
зависимости этого коэффициента от скорости скольжения.
Принципиальное значение приведенной классификации
режимов определяется тем, что в зависимости от состава резины
коэффициент трения ее может изменяться весьма существенно8.
Интенсивность износа (/) определяется обычно по скорости
уменьшения объема (V) истираемой резины
(/=-^-),зависящей как от сеойств трущихся материалов, так и от общей
интенсивности трения.
Для количественной характеристики истираемости либо
износостойкости пользуются различными показателями.
В связи с основной задачей оценки истираемости резины как
свойства материала целесообразно, однако, применять
показатель, инвариантный по отношению к общей интенсивности
трения.
В первом приближении таким показателем может служить
отношение обшей интенсивности истирания к интенсивности
(мощности) трения:
/
і
4^
ал
где А—работа трения.
Показатель а, который может быть назван коэффициентом
истираемости, выражается обычно в смъ1квт.ч. В отечественной
практике он получил широкое распространение и унифицирован
(ГОСТ 426—57).
В качестве коэффициента, характеризующего
износостойкость резин, часто пользуются также обратной величиной ?=l/a,
имеющей физический смысл работы трения, необходимой для
истирания единицы объема испытуемой резины по данной
абразивной поверхности.
Следует еще раз подчеркнуть, что коэффициенты а и ? лишь
приближенно инвариантны по отношению к механическим
параметрам, определяющим интенсивность трения, и что при всех
условиях, онм зависят от свойств не только испытуемой резины,
но и контртела, трение по которому вызывает износ.
О механизме истирания резины
Для уяснения особенностей истирания резины в различных
условиях целесообразно рассмотреть наиболее характерные
виды износа, соответствующие некоторым идеализированным
предельным режимам.
480 Гл. IX. Испытание резины на трение и истирание
Поскольку при трении резины по твердым материалам
интенсивность истирания наиболее существенно зависит от
геометрии .истирающей поверхности, в дальнейшем п'ри классификации
основных видов износа характер истирающей поверхности
рассматривается как важнейший фактор, определяющий условия
реализаци того или «ного вида износа.
Простейшим видом износа, имеющим большое значение при
трении твердых тел, является абразивный износ, т. е. износ,
обусловленный царапанием поверхностного слоя материала
острыми гранями твердых выступов шероховатой поверхности
контртела. Для резины этот вид износа мало характерен.
Условия его реализации в общем сводятся к тому, что
истирающая поверхность должна быть тверда и обладать острыми
режущими гранями. Истираемая резина также должна быть
относительно жесткой. Кроме того, важно, чтобы сила трения
между резиной и контртелом превышала некоторое
критическое значение, зависящее от свойств резины и геометрии
истирающей поверхности.
Другим весьма важным и наиболее распространенным видом
является износ, который мог бы быть назван усталостным
истиранием. В основе его — разрушение поверхностного слоя резины
в результате многократных деформаций на неровностях твердой
шероховатой опоры. Этот вид износа реализуется тогда, когда
напряжения, мгновенно концентрирующиеся в местах контактов
с выступами неровностей истирающей поверхности,
недостаточны, чтобы вызвать немедленное разрушение. Многократные
повторные нагружения, имеющие место в области контакта,
вызывают, однако, разрушения, если число циклов превысит
некоторый предел. Этот предел зависит от усталостной выносливости
резины при динамическом режиме, определяемом геометрией
истирающей поверхности, контактным давлением ,и скоростью
скольжения.
Помимо перечисленных механических параметров, весьма
существенное влияние на усталостную выносливость
поверхностного слоя резины может оказывать температура,
развивающаяся в области контакта.
Эта последняя в свою очередь определяется как
перечисленными уже механическими параметрами, так и теплофиэическл1
ми характеристиками трущихся материалов. Существенное
значение имеет также геометрия всего узла трения и размеры
номинальной площади контакта.
Представление об усталостном разрушении поверхностного
слоя снимает противоречие между двумя различными взглядами
на природу истирания резины и связь износостойкости с
другим« свойствами.
/. Особенности трения и истирания резины 481
Некоторые исследователи рассматривают износ резин как
процесс чисто механический ,и пытаются установить связь
между износостойкостью резины и ее твердостью, пределом
прочности при растяжении, сопротивлением раздиру.
Другие авторы, развивая представление об износе как
следствии химических и механохимических изменений поверхностного
слоя резины, придают особое значение термоокислительной
деструкции каучукового полимера и ищут связь износостойкости
с сопротивлением различным видами старения, .химической и
механохимической стойкостью.
В действительности чисто механический и
термоокислительный износы соответствуют некоторым предельным режимам
утомления поверхностного слоя, в то время как в реальных
режимах относительная роль механических и химических
факторов зависит от совокупности условий испытания.
Более детальный анализ истирания, в основе которого лежит
усталостное разрушение поверхностного слоя, был проведен на
базе приближенного количественного описания зависимости
между выносливостью резины и ее усталостной прочностью,
рассмотренного в разделе 1 главы V9.
Полученная е результате такого анализа зависимость в
приближенно количественной форме устанавливает связь
коэффициента износостойкости с основными параметрами,
характеризующими условия испытания и свойства истираемой резины.
В соответствии с исходными допущениями материал опоры
принимается недеформируемым и неизнангавающимся. Он
характеризуется поэтому лишь геометрическим фактором
шероховатости, представляющим отношение среднего радиуса кривизны
элементарного выступа к среднему расстоянию между выступами.
Свойства истираемой резины определяются ее прочностью
(fz), динамическим модулем (?), коэффициентом усталостной
выносливости (?) и коэффициентом трения по данной опоре ([д.).
Условия испытания характеризуются только номинальным
давлением в контакте (N/S). Скорость и температура
принципиально могут быть введены через соответствующие
зависимости для прочностных, упругих, усталостных и фрикционных
свойств резин. Влияние температурь: и скорости может быть
также косвенно учтено, если пользоваться значениями (i, f2, E,
?, соответствующими скоростям и температурам, которые имеют
место в том или ином реальном режиме истирания.
В последнее время при изучении особенностей истирания
резины в условиях трения ее по относительно гладким
поверхностям удалось выделить нозый, специфический для
высокоэластических материалов вид фрикционного износа, получавший
название истирания посредством скатывания10-''. Истирание по-
31—2406
482 Гл. IX. Испытание резины на трение и истирание
средством скатывания реализуется при относительно высоком
значении коэффициента трения между резиной и истирающей
поверхностью.
Для выявления особенностей этого вида износа
целесообразно рассмотреть взаимодействие некоторого выступа на
поверхности резины с поверхностью гладкого контртела, прижатого к
выступу с силой .V и перемещающегося параллельно
поверхности резины со скоростью U (рис. 263). Если трение между
выступом резины и истирающей поверхностью достаточно велико,
то на первой стадии движение контртела не приведет к общему
проскальзыванию в зоне
контакта, а вызовет
сложную деформацию
выступа. По мере
дальнейшего смещения разви-
тие деформации выступа
приведет к возрастанию
Рис. 263. Схема истирания резииы посред- упругих сил препятству-
ством скатывания: .. *Г 3
Л-контактная нагрузка; „-толщина лоскута; ,_ ЮЩИХ ЭТ0И Д^форМаЦИИ,
радиус скатки; U—скорость контртела; с—скорость а СЛЄДОВаТЄЛЬНО, И УВЛЄ-
скатывания. ЧЄНИЮ КОНТЭКТИруЮЩеГО
слоя резины контртелом,
Общее проскальзывание начнется тогда, когда тангенциальная
составляющая упругих сил в зоне контакта окажется равной
силе трения. Если, однако, резина не обладает необходимой
прочностью, а сила трения достаточно велика, то может
оказаться, что разрушение в зоне наибольших деформаций
наступит раньше, чем начнется общее проскальзывание в зоне
контакта. Наиболее вероятный характер такого разрушения
можно представить, исходя из того, что при сложном
напряженном состоянии резины разрушение начинается с возникновения
трещины (перпендикулярной к направлению действия
растягивающего усилия) там, где поверхностные слои материала
находятся в состоянии наибольшего растяжения. Если
трещина возникла, дальнейший ее рост происходит под действием
относительно небольшого усилия.
Рост трещин може г приводить к немедленному отделению
части резины от ее поверхностного слоя. Немедленный отрыв,
однако, маловероятен. Гораздо вероятнее постепенное
раздирание резины, допускающее относительное перемещение в
контакте без общего проскальзывания. Такое движение возможно, если
отделяющийся при раздире слой резины будет свертываться в
скатку так, как это показано на рис. 263. При таком механизме
явления дальнейшее дзижение будет уже происходить в
условиях трения качения, сопровождаемого непрерывным раздира-
/. Особенности трения и истирания резины 483
нием резины и наворачиванием отделяющегося лоскута на
образовавшуюся скатку. Разрыв лоскута приводит к отделению
скатки и тем самым завершает рассмотренный элементарный акт
фрикционного износа.
Как ясно из общего описания явления, истирание
посредством скатывания может иметь место лишь при определенном
сочетании внешних условий и свойств истираемой резины.
Очевидно, что такой характер истирания более вероятен для резин
с малым сопротивлением раздиру. Ввійду того, что прочностные
свойства резины существенно зависят от температуры, разогрев
поверхностного слоя за счет трения в скользящем контакте
также может оказаться весьма важным фактором.
В определенных условиях этот разогрев может приводить к
осмоленню поверхностного слоя резины и появлению
характерной клейкости, резко повышающей эффективное трение и
интенсивность образования скаток.
Из трех рассмотренных видов износа наименее интенсивным
является износ, связанный с усталостным разрушением
поверхностного слоя. В реально работающих узлах трения этот вид
износа, по-видимому, преобладает. Как уже указывалось,
основным углонирм pro осуществления является относительно
небольшое значение силы трения между резлной и истирающй
поверхностью. Если же сила трения велика, то, в зависимости от
характера шероховатостей твердой опоры и упруго-гистерезисных
свойств резины, реализуются либо абразивный износ, либо износ
посредством скатывания. В обоих случаях интенсивность
процесса будет на несколько порядков выше, чем при усталостном
истирании, чго, конечно, нежелательно, а иногда недопустимо.
Одна из возможностей суждения о преобладающем виде
истирания, имевшем место в анализируемом узле трения, связана
с рассмотрением, под небольшим увеличением, изношенной
поверхности резинового образца или детали. Показанные на
рис. 264 микрофотографии получены с образцов, истирание
которых велось в условиях, наиболее благоприятных для
реализации того или иного рассмотренного здесь вида. На рис. 264,а
показана поверхность образца, истиравшегося преимущественно
абразивно. Хорошо видны характерные полосы (царапины),
направление которых совпадает с направлением скольжения.
Рис. 264,6 дает представление о виде истертой поверхности
резины, износ которой проходил в режиме, благоприятном для
реализации усталостного истирания. Этот вид истирания обычно
не приводит к образованию на изношенной поверхности
царапин. Поверхность в процессе истирания становится
шероховатой, однако выступы и впадины на ней располагаются
беспорядочно, не образуя какого-либо определенного рисунка.
31*
484
Гл. IX. Испытание резины ни трение и истирание
Характерный вид поверхности резины, истирание которой
происходило преимущественно посредством скатывания,
показан на рис. 264,в.
Интересно, что такого же типа рисунки, с характерными
поперечным« бороздами, часто развиваются на поверхности
резиновых образцов, истираемых при различных условиях, в том
числе и па относительно абразивных поверхностях. Шалламаха.
детально изучавший эти рисунки и их связь с интенсивностью
истирания, объяснил их происхождение, рассмотрев взаимодей-
Рис. 264. Микрофотография изношенных поверхностей резины
(увеличение 20-кратное):
а—абразивный износ; б—истирание, связанное с утомлением поверхностного слоя;
в—истирание посредством скатывания.
сгвие- резины с единичным выступом твердого тела
(моделировавшегося з этих опытах с помощью тупого острия иглы,
прижимаемого к поверхности резинового образца и перемещаемого
с некоторой скоростью параллельно этой поверхности).
Возникновение рисунка легко, однако, понять на основании
представлений об истирании посредством скатывания, которое
может иметь место и при трении резины по совершенно гладким
поверхностям. Фактически в последнем случае рисунок
действительно легко образуете? и это указывает на то, что объяснение,
данное Шалламахом, недостаточно, а может быть, и
неправильно.
Зависимость коэффициента истираемости от параметров
режима и свойств резины
Как уже отмечалось, коэффициент а не является
показателем, характеризующим истираемость резины безотносительно к
условиям испытания. Помимо того, что этот показатель
существенным образом зависит от свойств истирающего конт' тела.
/. Особенности трения и истирания резины 485
он чувствителен также к давлению, скорости скольжения,
температуре, содержанию кислорода в воздушной среде и т. д.
Общая тенденция такоЕа, что повышение интенсивности
трения, как правило, приводит к возрастанию определяемого
значения коэффициента истираемости. В таком направлении влияют
давление, скорость, абразивность истирающей поверхности и
температура.
Наиболее существенно зависит а от свойств истирающей
поверхности. Так, значение и при трении резины по абразивной
шлифовальной шкурке (монокорунд 150) в сотни, а иногда и в
тысячи раз превышает значение того же показателя,
определенного при трении резины по гладкой жести.
Влияние давления и скорости (при трении по данной
истирающей поверхности) гораздо менее существенно и им можно
было бы даже пренебречь, если бы оно не сказывалось на общем
характере (виде) разрушения поверхностного слоя резины при
истирании. Практически, однако, повышение интенсивности
трения на границе резина—контртело может в определенных
условиях приводить к резкому переходу от «усталостного истирания»
к «истиранию посредством скатывания». Такой переход всегда
и ростом определяемого значения коэффициента истираемости а.
Такого же рода переходы могут иметь место и при возрастании
скорости скольжения.
Независимо от реализуемого вида износа повышение
температуры приводит к повышению интенсивности истирания и
росту определяемого'значения коэффициента истираемости а.
Определенный интерес, в связи с рассмотренным выше
представлением об истіиранйи как усталостном разрушении
поверхностного слоя резины и роли происходящих при этом
термоокислительных процессов, имеют данные по зависимости
коэффициента истираемости а о г содержания кислорода в газовой
среде, окружающей истираемый образец12.
Так, значения этого коэффициента при истирании резины из
натурального каучука по рифленой металлической поверхности
в среде іинертного газа оказались в 2,7 раза ниже, чем при
истирании на воздухе. Этот эффект, однако, существенно зависит
от состава резины и проявляется тем отчетливей, чем меньшей
абразивностью обладает истирающий резину материал. Так, на
шлифовальной шкурке (монокорунд 150) этот эффект
значительно меньше, чем при трении по значительно менее абразивной
рифленой металлической поверхности.
Износостойкость резины существенным образом зависит от
ее состава. Наибольшее значение имеет природа каучукового
полимера. Относительно высокую износостойкость резин обес-.
486 Гл. IX. Испытание резины на трение и истирание
печивают стересрегулярные полиизопреновые (СКИ) и
полибутадиеновые (СКД) каучуки, а также карбоксилсодержащий
БСК, метилвинилпиридиновые каучуки и полиуретаны.
Очень существенные возможности повышения
износостойкости'резин связаны с применением активных, высокодисперсных
саж.
Влияние других факторов, например степени вулканизации,
содержания мягчителей и т. д., менее изучено, так как в большой
степени зависит от режима и условий испытания.
Эффективным средством повышения износостойкости в ряде
случаев является применение добавок, препятствующих
термоокислительной и термомеханической деструкции каучукового
полимера в резине.
2. ИСПЫТАНИЯ РЕЗИНЫ НА ИЗНОСОСТОЙКОСТЬ
Основным условием правильного испытания чрезин на
износостойкость является зыбср режима в соответствии с
характером истирания в эксплуатации.
В начале предыдущего раздела было указано, что
сравнительные испытания резин на износостойкость могут
проводиться в одном из трех режимов (А, Б іили В), отличающихся
выбором независимых параметров.
Режим проведения испытаний существенен во всех случаях,
когда сопоставляемые резины отличаются своими
фрикционными свойствами.
Для обсуждения вопроса о взаимосвязи между трением и
истиранием при разных режимах можно воспользоваться
коэффициентом а как характеристикой износостойкости резины в
данной паре трения.
Выражая мощность трения как
-7Г = FU (?)
имеем:
/ = aFU (8)
откуда непосредственно следует, что в режиме зависимой
сдвиговой силы
/А = apNU ~ aii (9)
2. Испытания резины на износостойкое! ь 487
т.- е. интенсивность истирания в режиме А пропорциональна
коэффициенту трения. В режиме зависимого контактного
Ib=aFU~a A0)
давления, т. е. интенсивность истирания в режиме Б не зависит
от коэффициента трения.
, Вопрос о связи между износом и трением в режиме
зависимой скорости скольжения более сложен, поскольку для его
рассмотрения нужно знать общий вид зависимости
коэффициента трения [і от скорости скольжения. Если, однако, в первом
приближении принять, что для ограниченного интервала
изменения этой скорости, при не слишком больших ее значениях,
коэффициент трения приближенно линейно возрастает со
скоростью скольжения*, т. е. что имеет место соотношение вида**
1* = 14 +at/ A1)
то, выражая в соотношении (8) U через A1) и A), имеем:
ft.) -.- / const-,.,, \
" \ a j
т. е. интенсивность истирания в режиме В (в интервале
скоростей скольжения, при которых а>1) находится в
обратной зависимости от трения (чем больше Цо и а, тем
меньше /в) .
Таким образом, влияние трения на интенсивность
истирания проявляется в разных режимах по-разному.
Опытные данные по сравнению интенсивности истирания в
различных режимах резин с разными фрикционными
свойствами в общем согласуются с выводами из проведенного здесь
рассмотрения. Надо лишь иметь в виду, что эти выводы
получены в предположении, что коэффициент истираемости а сам
по себе от величины коэффициента трения не зависит. Для
получения результатов лабораторных испытаний в достаточно
короткие времена при существующих методах замера
(взвешивание, измерение размеров образца) целесообразно
ужесточать условия испытания по сравнению с эксплуатационными;
при этом ужесточение должно производиться так, чтобы не из-
* Как указывалось выше, фактически зависимость (xotU описывается
кривыми с максимумом.
s* ** В соотношении A1) (id имеет смысл коэффициента трения покоя. Он
может быть определен экстраполяцией зависимости fx (U) на нулевое значение
скорости скольжения.
488
Гл. IX. Испытание резаны на трение а истирание
менялся общий характер истиоания. Это можно достигнуть
путем:
а) применения специальных высокоабразивных материалов;
б) задания больших скоростей скольжения
(проскальзывания при качении);
в) использования больших контактных давлений;
г) повышения температур в зоне контакта.
Влияние абразивности материала на интенсивность
истирания показано в табл. 16.
Таблица 16
Интенсивность износа и показатели истирания13
на различных абразивных поверхностях
(резина на основе СКС-ЗОАМ с 50 вес. ч. ламповой
сажи, режим А, N = 3,5 кгс; v = 19 см/сек)
Характеристика
абразивной поверхности
Моиокорунд 150 ....
Резина
Плексиглас
Жесть
Металлическая рифленая
поверхность F4 выступа
на 1 еж3)
Пластмассовая рифленая
поверхность F4 выступа
на 1 см2)
Потери
при истирании
за 5 мин
0,422
0,130
0,037
0,001
0,138
0,200
Показатель
истирания
смЗ/квгп-ч
1080
300
110
3
330
505
При истирании резины по абразивным материалам, отли
чающимся среиним размером зерен, потеря объема резины при
истирании закономерно возрастает с увеличением размера зе-
рен146.
Перспективной представляется разработка новых, особо
чувствительных методов оценки износа, например, с применением
радиоактивных изотопов, поскольку таким образом можно
обеспечить проведение испытаний в мягких, приближающихся к
эксплуатационным, условиях.
Ниже будут рассмотрены машины для определения
износостойкости резин в режимах скольжения и качения.
Испытания резины с помощью порошкообразного абразива17
не нашли широкого применения, как трудоемкие,
малопроизводительные и не дающие хорошо воспроизводимых
результатов.
2. Машины для оценки,износостойкости резин в режиме скольжения 489
Следует подчеркнуть, что результаты испытания резин е
различных режимах (а при одинаковых режимах — в
условиях различной интенсивности испытания) должны не только
количественно, но и качественно отличаться друг от друга. Это
с очевидностью следует из рассмотренного выше влияния
трения на интенсивность истирания, а также из зависимости
механизма истирания и истираемости от условий испытания
(температуры, свойств истирающих поверхностей, скоростей
скольжения и других параметров).
Поэтому, проводя испытание и стремясь к получению
воспроизводимых результатов, необходимо прежде всего иметь в
виду назначение испытуемой резины.
Очевидно, что качение с проскальзыванием характерно для
протекторных резин, скольжение — для приводных ремней и
транспортерных лент и т. д. Детальный анализ
эксплуатационного режима, а также сопоставление лабораторных данных с
эксплуатационными может показать, какой из режимов
испытания (А, Б или В) наиболее характерен для того или иного
вида изделия. Так, для протекторов шин установлено, что
наилучшая корреляция с износом шин на дорогах получается для
nP4vnKT3TnR ляіЇппятппннї испытаний ппппрлрнныу п пржы-
± - _ ^ - , ґ , -_І ^ _ І
ме Б.
Трудно перечислить все режимы и параметры испытаний
применительно к конкретным изделиям.
Рассмотрение конкретных машин и методов, проводимое в
разделах 3 и 4 настоящей глазы, показывает широкие
возможности варьирования условий испытания.
Необходимо также отметить, что совершенно
недостаточна стандартизация одного единственного метода и режима с
вполне конкретными условиями испытания для резин
различного применения, как это до сих пор практиковалось в
отечественной промышленности (см. ГОСТ 426—5720). В частности,
выбранный метод и режим оказываются непригодными для
резин такого массового изделия, как шины.
3. МАШИНЫ ДЛЯ ОЦЕНКИ ИЗНОСОСТОЙКОСТИ РЕЗИН
В РЕЖИМЕ СКОЛЬЖЕНИЯ
Самая распространенная и стандартизованная во многих
странах машина типа Грассели, описанная Вильямсом18 и
изготавливаемая в различных вариантах, в частности фирмой
«Дюпон»19 и заводам «Металлист» (МИ-2), допускает
испытание на истирание при скольжении в режимах А и Б;
стандартным режимом выбран режим А. Так, согласно ГОСТ20,
задаются: 1) нормальная нагрузка iV = 2,6 кгс, что для образцов
490
Гл. IX. Испытание резины на трение и истирание
стандартной площади составляет начальное контактное
давление в 325 гс/см2 и 2) скорость вращения диска с абразивным
материалом 40 об/мин, что при расстоянии между центрами
неподвижных образцов и осью вращающегося диска 68 мм
соответствует линейной скорости 17 м/сек.
Схематически машина МИ-2 показана на рис. 265.
Рис. 265. Схема машины МИ-2 типа Грассели:
а—машина; б-рычаг; e-воздухопровод; /-воздухопровод; 2-диск- 3—полый вал-
4-редуктор; 5-электромотор; 6_рычаг; 7-упоры; «-ролик 9, Ю-Трузы- "°™танща:
/2-динамометр; М-зажимные вннты; /4-рамки; /5-образцы; 16-ось рычага
На станине И укреплен электромотор 5, который через
посредство редуктора 4 приводит во вращение диск 2 с
наложенным и закрепленным на нем кругом абразивного материала
шлифовальной шкурки. Скорость вращения диска 40 + 5 об/мин.
Два образца 15 вставляются в зажимные рамки 14,
находящиеся на неравноплечем рычаге 6 на растоянии 68 мм
каждая от оси рычага 16. Толщина каждой рамки не менее 1 мм
Рамки зажимаются на рычаге 6 винтами 13. Ось рычага 16
проходит через полый вал 3 диска 2, и образцы прижимаются
к последнему грузом 9, подвешенным к оси 16 при помощи
троса, перекинутого через ролик 8.
3. Машины для оценки износостойкости резин в режиме скольжения49\
На длинном плече рычага имеются два отверстия:
крайнее—для подвешивания уравновешивающего груза 10,
среднее— для пружинного динамометра 12. Груз 10 и
динамометр 12 при вращении диска 2 удерживают рычаг с
прижатыми к диску образцами между упорами 7.
К Диску 2 подведен воздухопровод 1 для обдувания
шлифовальной шкурки (очистки ее от крошек истертой резины).
Отверстия в трубке, через которые под давлением в 1 атм
проходит воздух, находятся на расстоянии 20—25 мм от диска
и расположены под углом 45° к рабочей поверхности диска
(навстречу его движению). Воздух Для обдувки шкурки
должен быть сухим и чистым. Для уменьшения колебания
рычага допускается пользоваться масляным демпфером.
6
Рис. 266. Стандартные образцы для испытания на
машине МИ-2:
а—основной вид: 6—образцы уменьшенных размеров: в—образ- '
цы, составленные из слоя испытуемой резины (толщиной
> 2 мм), приклеенной к резиновой подкладке.
Форма и размеры образцов Для истирания показаны на
рис. 266,а. Заплечиками образцы вставляются в зажимные
рамки. Высота заплечиков должна быть не менее 3 мм.
Истираемая часть образца должна выступать из рамки на высоту
3,5 ±0,5 мм.
Если испытываемой резины недостаточно и площадь образцов не
достигает 20X20 мм2, то допускается уменьшать одну из сторон квадрата до
10 мм (рис. 266,6).
Если нельзя заготовить целиком образцы (например, из готового изделия),
то применяется приклейка пластинок испытуемой резины толщиной не менее
2 мм к резиновым или кожаным подкладкам твердостью по Шору не менее
60 (рис. 266, в).
Стандартным истирающим материалом выбрана шлифовальная шкурка
монокорунд 150 (по ГОСТ 344—57).
Стандартность шкурки проверяется испытанием на ней эталонной
резины 4Р-129, изготовленной по рецепту (в вес. ч.): каучук СКБ-50 ср—100;
492 Гл. IX. Испытание резины на трение и истирание
ctpa — 2,5; каптакс—1,3; окись цинка — 5,0; олеиновая кислота 3,0; ру-
бракс — 5,0; сажа ламповая—15,0; сажа газовая — 45,0. Образцы из
резиновой смеси вулканизуются в гнездах индивидуальной прессформы при 143 "С
в течение 60 мин.
Перед испытанием производят притирку образцов на машине до достиже
ния их равномерного прилегания к шкурке.
Если размеры образцов нестандартны, то груз 9 (см. рис. 265) составляет
уже не 2,6 кгс, а рассчитывается в соответствии с площадью контакта образца
при заданном давлении 325 гс/см2; для обувных резин задается давление
200 гс/см2.
Притертые образцы, очищенные от резиновой пылн, взвешивают с
точностью до 0,01 гс, затем подвергают истиранию в течение 200 оборотов диска
E мин) либо изменяют время испытания так, чтобы потеря веса образцов была
не менее 0,2 гс.
После испытания образцы снова взвешиваются и определяется их плотность.
Один из методов21 определения плотности заключается во взвешивании
образцов: а) в воде (если плотность резины более единицы) или б) спирте (если
плотность резины меньше единицы).
Плотность (относительная) соответственно равна:
т?
а) ?^ mg-(m-VB)g
где m —масса образцов, f>—ускорение силы тяжести, VB—объем вытесненной
воды;
°> ?~ mg-(m-VcPc)g
где Рс—плотность спирта, Vc—объем вытесненного спирта.
Истирание резины характеризуют потерей объема V (см3):
где m и WZ] — массы пары образцов до и после истирания, гс.
Удельный показатель истирания выражают в см3/квт-ч,
относя потерю объема к затраченной на истирание работе
трения А.
Работа трекия равна:
3,67.101°
где г — расстояние (в см) от точки подвеса груза Р\
(в гс), или 10 (см. рис. 265), до оси 16 рычага 6,
а — расстояние (їв см) от точки закрепления
динамометра 12 до оси 16 [Р2 — среднее (в гс)
показание динамометра за период испытания];
п — число оборотов диска машины за время
испытания;
3,67 • 1010 — пе еводной коэффициент (для перевода работы,
3. Машины для оценки износостойкости резин в режиме скольженияОаЗ
выраженной в гс-см, в работу, выраженную з
кет • ч);
Р3 — «постоянная машина» (в гс), разность веса
плеч рычага, определяемая во время движения
диска машины без образцов и без прижимного
груза 9 в точке подвеса груза IG (см. рис. 265)
по схеме, изображенной на рис. 267.
Для машины МИ-2 /- = 42,5 см.
Из данных испытания может быть также определен
коэффициент трения резины по
абразивной шкурке
* = -?- = _^_fpi+P3 + ^_/
_ „ ,,-,,-- Рис. 267. Тарировка машины
Введенный в 195/ г. стан- МИ-2:
Дарт20 ОТЛИЧаеТСЯ ОТ ранее ДЄЙ- /-диск машины МИ-2; 2—рычаг; 3—
oTranociQTii?vrrv22 „ .Q„wo npiffiiupH весы для уравновешивания разности
СТВОВаВШеГО , а Также рЄКОМЄН- веСа плеч рычэга в точке подвеса гру -
ДОВаННОГО ИСО23 И ПРИНЯТОГО ВО за.
многих странах (США, Франция,
Англия 'Л др.) метода прежде всею і ем, что истирание образцов
производится на стабилизированных кругах шлифовальной
шкурки. Стабилизация осуществляется путем притирки
образцов в течение 15—30 мин. Кроме того, рекомендовано
использовать данный крут шлифовальной шкурки для истирания всех
образцов испытуемой (одной или нескольких проб) резины,
если истирающая способность шкурки не изменяется.
Стабильность результатов истирания достигается также
уменьшением высоты образца24.
Одним из недостатков ГОСТ 426—5725 является то, что в
нем обойден режим постоянной сдвиговой силы (режим Б), ко
торый оказывается, например, наиболее подходящим для
оценки шинных резин14.
По стандарту США19, испытания производятся в течение
20 мин, т. е. на протяжении 740 оборотов вместо 200 оборотов
(при W = 3,62 кгс), и вычисляют только уменьшение объема
образца.
Кроме метода испытания на машине типа Грассели, в США
стандартизовано также19 испытание на машине26 с
цилиндрическими барабанами (рис. 268).
Барабан 2 — металлический, обрезиненный, диаметром
152 мм, вращается со скоростью 45±5 об/мин от электромо-,
тора через редуктор. Число оборотов фиксируется счетчиком.
На оси 1 шарнирно закреплены три рычага 5, к концам кото:
рых подвешиваются грузы, поджимающие образцы 4 под ры-
494 Гл. IX. Испытание резины на трение и истирание
чагами к барабану с силой в 2 кгс каждый. Три индикатора 3
измеряют высоту образцов во время испытания с точностью до
0,001 дюйма (каждый индикатор контактирует с
соответствующим из рычагов). Индикаторы находятся на откидном крон
штейне, что способствует установке образцов под поднятыми
рычагами в начале испытания.
По линии 6 проходит сжатый воздух для очистки
поверхности абразивного материала 7, прикрепляемого к барабану с
помощью резиновых лент; между концами шкурки, вырезан-
Рис. 268. Машина Национального бюро стандартов США
для испытания по ASTM D394—47t
/—ось; 2—барабан; 3—индикатор высоты образцов; 4—образцы:
5—рычаги; 6—линия воздухопровода; 7—шлифовальная шкурка (абразивный
материал); 8—ограничители рычагов (стопорные' винты).
ными под углом 80°, образуется зазор в 1,5 мм. Рычаги 5
могут быть поставлены на стопорные винты 8.
Образцы 4 имеют площадь 25X25 мм2 и высоту около 6 мм
Они прикрепляются к рычагам посредством фибровых дисков
После предварительной притирки образцов включают
счетчик числа оборотов барабана и отмечают число оборотов,
необходимое для истирания образцов, приводящего к
уменьшению их высоты на 2,5 мм. Для уточнения результатов мож
но производить взвешивание образцов до и после истирания.
Также вычисляются объемные потери при истирании за 100
оборотов барабана.
В описанных испытаниях образцы периодически проходят по
одной и той же абразивной поверхности.
При загрязнении или замасливании резиной истирающей
поверхности результаты истирания изменяются.
3. Машины для оценки износостойкости резин в режиме скольжения495
По стандартам, ФРГ27, испытание производится на
машине (рис. 269) с обновляемой абразивной поверхностью.
Испытание по DIN 53516 заключается в том, что путь образца
по абразиву подобран так, чтобы образец каждый раз
попадал на новый, еще не использованный участок абразива.
На вращающемся барабане / натянута шлифовальная
шкурка 2. Барабан диаметром 150 мм вращается со скоростью
40 об/мин от мотора через шкив 7 и червячную пару 5. Над
барабаном, параллельно его оси, закреплена направляющая 9, по
которой с помощью ходового винта 8 и гайки // перемещает-
Ю-,
Рис. 269. Схема машины для испытания по
DIN 53516 на обновляемой поверхности
абразива:
1—барабан: 2—шлифовальная шкурка (абразивный
материал); 3—стык шкурки; 4—кулачок; 5, 5—червячные
пары; 7—приводной шкив; 8—виит; 9—направляющая; 10—
рамка; /У—гайка; 12—коромысло; 13—патрон с образцом.
ся коромысло 12. Винт вращается от червячной пары 6. При
одном обороте барабана винт перемещает гайку с коромыслом
на 4 мм. На конце коромысла находится патрон 13 с
цилиндрическим образцом диаметром 16 мм и высотой 6 мм;
последний под действием нагрузки 1 кгс прижат к шлифовальной
шкурке на барабане. Таким образом, при вращении барабана 1
и перемещении коромысла 12 образец описывает спираль по
шлифовальной шкурке, проходя вдоль барабана за 100
оборотов последнего.
При прохождении образца над стыком концов шкурки 3
образец каждый раз приподнимается. Это обеспечивается тем,
что свободный конец коромысла 12 скользит вдоль края
рамки 10, которая в нужный момент опускает конец коромысла с
помощью кулачка 4.
Шлифовальная шкурка очищается также путем обдувки
сжатым воздухом у линии, находящейся вблизи патрона с
образцом.
496
Гл. IX. Испытание резины на трение и истирание
Примером еще одного конструктивного решения испытания
с обновляемой поверхностью абразива является машина
Гавана28 (рис. 270), на которой восемь образцов 1 закрепляются в
рамках на конвейере 2 в виде бесконечной цепи,
вращающейся со скоростью 200 см/мин на роликах 3, приводимых в
движение от мотора. Абразивный материал 11 в виде ленты
шириной 5 см сматывается с нижнего ролика 4, проходя через на-
Рис. 270. Машина Гавана с обновляемой
поверхностью абразива:
/—образец; .2—конвейерная цепь: 3, 4—приводные ролики;
5. 5—направляющие ролики: 7—контактный ролик; 8, 9,
10—натяжные ролики; 11—абразивный материал.
иравляющие ролики 5 и 6, контактный ролик 7 и натяжные
ролики 8—10. один из которых имеет независимый привод от
мотора. Направление движения абразивной» ленты (со
скоростью 50 см/мин) противоположно вращению конвейерной цепи.
Общая разность скоростей (скорость скольжения) составляет
250 см/мин. Истирание производится на контактном ролике 7.
В отличие от вышеописанных приборов, истирание
образцов на машине Гавана носит периодический характер.
Периодическому истиранию подвержены образцы и на машине Шильд-
кнехта29. Рассмотренные машины для истирания путем
скольжения, как и менее распространенные варианты этого ти-
nai7, эо-32^ работают в основном в режиме заданных скорости
скольжения и нормальной нагрузки (режиме А). В
большинстве из них можно варьировать контактную нагрузку,
переходя таким образом на режим Б. Наибольшую сложность
представляет непрерывное изменение скоростей скольжения в
достаточно широком диапазоне.
Помимо обновляемости поверхности, -существенное
значение имеет стандартность и однородность абразива.
Абразивные зеона, наклеенные на бумагу, должны иметь определенные
4. Машины для оценки, износостойкости резин в режиме качения 497
размеры, состав, твердость и равномерно распределяться по
поверхности бумаги15'33~36.
Для проверки стандартности шкурки во всех методах
пользуются истиранием образцов из эталонной резины. В
немецком стандарте допускается пользоваться поправочным
коэффициентом, который получается как отношение результата
истирания эталонной резины на стандартной шкурке к результату
истирания той же резины на проверяемой шкурке. В
дальнейшем результаты истирания на последней, получаемые для
различных испытуемых резин, умножаются на поправочный
коэффициент.
Вопросы влияния стандартности шкурки и выбора
наиболее приемлемой истирающей поверхности изучены в целой
серни работ и пока не нашли удовлетворительного решения.
Обновление поверхности абразива во время испытания при
условии достаточной однородности изготовления абразива
является одним из источников уменьшения разброса
показателей. Поверхность ряда резин при испытании осмоляется,
появляется характерная липкость, устранить влияние которой
нельзя даже при обновляемой поверхности абразива. Для
уменьшения липкости применяют пропудривание (тялькпм,
измельченным мелом, гипсом и другими порошками); при этом
подача порошка, естественно, должна быть строго дозирована.
По данным ряда исследователей37'38, влияние загрязнения
истирающей поверхности можно избежать, применяя в
качестве абразива металлическую сетку; при этом сетка
оказывается достаточно стабильной и дает воспроизводимые результаты
даже при истирании резины со смазкой.
Эксперименты показывают38, что имеется корреляционная
связь между износом резины по сплошной стальной
поверхности и по сетке. В то же время такая корреляция отсутствует
для абсолютной убыли объема резины при истирании по
шкурке и по сетке. Поэтому при оценке износа резин, работающих
по стальной поверхности, целесообразно проводить
лабораторные испытания на металлической сетке. Применение
металлической сетки должно быть предусмотрено при пересмотре ГОСТ
426—57.
4. МАШИНЫ ДЛЯ ОЦЕНКИ ИЗНОСОСТОЙКОСТИ РЕЗИН
В РЕЖИМЕ КАЧЕНИЯ
При работе в режиме скольжения осуществляется непре
рывный процесс истирания всей поверхности образца, как это
схематически изображено на рис. 271,а. При этом образец и
32—2406
498 Гл. IX. Испытание резины на трение и истирание
абразив должны иметь относительную скорость, или скорость
скольжения \U\ = \U1—?/а| >0.
Обычно, если образец и абразив находятся в контакте под
давлением, то при движении одного из них со скоростью U\
другой, увлекаясь силой трения, движется вслед за первым с
той же скоростью U2 = Ui. В этом случае проскальзывание
отсутствует (в %):
А = ~ ¦ 100 = 0
u
На рассмотренных в разделе 3 машинах U2=0 и скорость
скольжения U раївна скорости U\. Проскальзывание А=
=тг- - ЮО равно 100%.
На машинах, работающих
.(/, .,^$$!и'. в режиме качения (как это
V/7/7//7/A-*и2 Y////7////A-^-Uj схематически изображено на
а б рис. 271,6), процесс
истирания прерывистый. В контакт
Рис. 271. Схематическое изображе- с абразивом (входят попере-
ние трения и истирания поверхнос- менно различные участки исти-
ТИ О разца. равМОГО (каТЯЩЄГОСЯ) обраЗ-
а—скольжение; б—качение; N—нормаль- " > ч ' "К"
ная нагрузка; U\—скорость движения об- ЦЗ.
разца; t/a-скорость движения абразива. Температура, развивзю-
щзяся в контзкте,
существенно ниже, чем при скольжении. В этом отношении качение имеет
преимущество перед скольжением.
При скольжении рззличие между номинзльной и контурной
площздью контзктз незначительно. При качении контурнзя пло-
щздь зависит от нормальной нзгрузки. В скользящем контакте
катящегося тела имеет место сложный характер смещений.
В этом случзе трудно проанализировать связь между пзрамет-
рами трения, что является недостатком методов качения.
В режиме качения легко резлизовзть различные значения
проскзльзывзн'ия. Особенно важен этот режим при оценке
износостойкости шинных резин.
Впервые машинз для истирзния в режиме качения была
описана Лембурном39 в 1948 г. Зз это время были предложены
различные конструктивные варианты этой машины13'16-40'45.
Схема машины Данлопа — Лембурна42 показана на рис. 272.
Резиновый образец 13, вулканизованный в виде кольца
наружным диаметром 44,4 мм и шириной 10 мм, крепится на
стальной втулке на валу электродвигзтеля 18, питземого
постоянным' током от источника 1. Образец 13 прижимается к аб-
4. Машины для оценки износостойкости резин в режиме качения
499
разивному кругу 12 (диаметром 177 мм и шириной 25,4 мм)
натяжным устройством, состоящим из балок на шарнирных
опорах 19, натяжного винта и прижимной пружины 17, с помощью
которых регулируется контактное давление.
Рис. 272. Машина Данлопа-Лембурна:
/—сеть постоянного тока; 2, 10—сеть переменного тока E0
герц); 3— устройство для контроля и поддержания скоростей;
4, 8—стробоскопическое устройство; 5—источник питания
электромагнита; 6—измеритель силы тока: 7—реостат; 9—
коммутатор контроля скоростей; //—тормозной
металлический диск; 12—абразив; 13—образец; 14, 16—диск; 15—питатель
(для посыпания абразива гритом); /7—прижимное пружинное
устройство; 18—сериесный мотор; 19—шарнирные опоры; 20—
счетчик времени.
Применяя торможение тонкого металлического диска 11,
вращающегося между полюсами электромагнита токами
Фуко (торможение зависит от силы тока в электромагните),
задают различные проскальзывания абразива 12 относительно
образца 13. Электромагнит питается от сети 2 переменого то-
32*
500
Гл. IX. Испытание резины на трение и истирание
ка 50 гц источником 5. Сила тока регулируется реостатом 7
и измеряется соответствующим прибором 6. Скорость
скольжения измеряется по разности скоростей вращения
дисков 8 и 14 стробоскопическим устройством 4 и 8, питаемым
от сети 10 переменного тока 50 гц. Контроль и поддержание
постоянства скоростей осуществляется с помощью диска 16,
наводящего токи в электромагните, передаваемые на
устройство 3.
Рис. 273. Машина для испытания резины на
истирание с переменным углом установки образца.
При испытании резни, замазывающих абразив, применяется
посыпание поверхности абразива гритом (морским песком)
через определенные промежутки времени.
Другим типом машин, истирающих образцы в режиме
качения, являются так называемые угловые машины типа Акрон-
Молд, Акрон-Кройдон17'461, в которых кольцевой образец
прижимается к вращающемуся абразивному диску, причем
степень его проскальзывания можно варьировать, меняя угол меж-
жду осями образца и диска (рис. 273).
При параллельном положении осей образца и круга имеет
место фрикционная передача без проскальзывания. Чем
больше угол между осями (может быть доведен до 40°), тем
больше проскальзывание.
4. Машины для оценки износостойкости резин в режиме качения
501
Истирание образца измеряется по убыли объема при
заданных угле наклона, числе оборотов и нормальной (контактной)
нагрузке.
Испытание на истирание при повышенных температурах
сопровождается интенсивным замазыванием абразивной
поверхности. Поэтому истирания при повышенных температурах
требуют непрерывного обновления поверхности материала.
Примером подобной машины, работающей в режиме
качения, является ИМИ-313, созданная на основе первого ее вариан-
Рис. 274. Схема машины ИМИ-3:
/—образец; 2—шлифовальная шкурка (абразивный материал); 3, 22—па-
греватели; 4, 9—диски; 5—счетчик оборотов: 6, 18—грузы; 7—маятник;
«—натяжной ремень; 10—натяжной винт; //—шкала; 12—тахометр; 13—
направляющая; 14—винт; 15, 17—электромоторы; 16—шток; 19—барабан;
20—трубка для отсоса резиновой крошки; 21—редуктор.
та52. На машине можно раздельно регулировать температуру
образца и абразива (рис. 274).
Резиновый кольцевой образец 1 толщиной 10 мм, наружным
диаметром 48 мм и внутренним диаметром 20 мм приводится
во вращение от электромотора 15 через редуктор 21.
Образец прижимается к барабану 19 грузами 18, которые
одеваются на шток 16. Образец приводит во вращение бара-
бак 19 с находящейся на нем шлифовальной шкуркой
(монокорунд 150).
Тормозное приспособление уменьшает скорость вращения
барабана. Тормозящее усилие создается винтом 10, передается
502 Гл. IX. Испытание резины на трение и истирание
через диски 4 к 9, натяжной ремень 8 и измеряется по
шкале 11 в зависимости от подъема маятника 7 с грузом 6.
Степень проскальзывания определяется по тахометру 12,
а также с помощью счетчика оборотов 5.
Винт 14 приводится во вращение от мотора 17 с
редуктором и перемещает образец по направляющей 13. Резиновая
крошка от истираемого образца удаляется с поверхности
абразива центробежным вентилятором через отсасывающую
трубку 20. Обогрев абразива и образца раздельный,
осуществляется нагревателями 3 и 22 с независимой
регулировкой.
На описанной машине возможны испытания во всех трех
режимах истирания.
На базе машины ИМИ-3 заводом «Металлист»
изготовляется конструктивно более совершенная машина МИР-1, дающая
более высокую точность измерения нормальных и сдвиговых
нагрузок, возможность непрерывного изменения нормальных
нагрузок, применения разных скоростей перемещения каретки
с образцом и вращения образца (от одного мотора). Шкала
угла подъема маятника линейная. Нагреватель абразива
находится внутри барабана и снабжен автоматическим
регулятором температуры. Имеется система блокировки, позволяющая
выключать прибор при подходе каретки к краю барабана.
В режиме качения работает машина Пра53, схематически
показанная на рис. 275.
Цилиндрический барабан 1 с абразивным материалом
приводится во вращение электромотором 4 через вариатор 3 и
червячный редуктор 2. Скорость вращения барабана может
изменяться от 25 до 200 об/мин.
Каретка 8, несущая испытываемый образец 13,
перемещается с помощью ходового винта 10, приводимого во вращение от
оси цилиндра, через цепной привод. Система ступенчатых
шкивов 12 позволяет получить три скорости перемещения,
соответствующие 0,5; 1 и 2,5% линейной скорости цилиндра. Два
автоматических переключателя хода 11 обеспечивают возвратно-
поступательное движение каретки вдоль ходового винта.
Образец— кольцевой, приводится во вращение со скоростью от 0
до 500 об/мин электромотором 5 с вариатором 6 через
карданный вал 7, расположенный между двумя муфтами сцепления.
Этот образец состоит из металлического зубчатого сердечника
диаметром 25 мм, к которому привулканизовано резиновое
кольцо наружным диаметром 45 мм.
Для изменения нормальной нагрузки на образец каретка
может дополнительно нагружаться грузами 9 от 0,5 до 3 кгс.
а для изменения скорости скольжения ось вращения образца
4. Машины для оценки износостойкости резин в режиме качения
503
может быть ориентирована под различным углом (от 0 до
45°) к оси вращения барабана.
Очистка поверхности абразива от резиновой крошки
осуществляется пылесосом. Таким образом, независимо
задаваемыми переменными величинами являются: линейная скорость
вращения барабана с абразивом, линейная скорость вращения
образца, скорость перемещения каретки с образцом, угол меж-
12
Рис. 275. Машина Пра с обновляемой
поверхностью абразива:
1—барабан; 2—червячный редуктор; 3, 6—вариатор скорости;
4, 5—электромоторы; 7—карданный вал; 8—каретка; 9—грузы;
10—ходовой винт; 11—Переключатель; /2—ступенчатые
шкивы; 13—образец.
ду осями вращения образца и барабана и нормальная
нагрузка на образец. Скольжение вычисляется как отношение
фактически получаемых скоростей вращения барабана и образца:
где D — диаметр барабана;
d — диаметр образца;
N и п — соответствующие числа их оборотов в единицу
времени.
На машине Пра, как и ка машине Тэйбора54, задаются
независимо скорости вращения образца и абразива, поэтому
машина Пра, в отличие от ИМИ-3, не приспособлена для
измерения тормозящего момента.
504 Гл. IX. Испытание резины на трение и истирание
В режиме качения работает также машина Бекмана40 с
обновляемой поверхностью абразива. Здесь, как и в ее
прототипе—машине Фимана16, от мотора вращается барабан с
абразивом, а притормаживается образец. Такой принцип работы
имеет, однако, существенный недостаток: при больших
проскальзываниях и высоких контактных давлениях, когда
линейная скорость вращения образца мала, образец успевает
достаточно сильно истереться на участке начального контакта с
абразивом, теряя свою симметрию относительно оси вращения,
что затрудняет смену контактирующих участков и вызывает
неравномерное истирание.
5. ИЗМЕРЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА ТРЕНИЯ
В качестве трибометров, или приборов для определения
коэффициента трения, могут быть использованы любые
машины для испытания на истирание, в которых можно задать или
измерить нормальную N и сдвиговую F нагрузки, а также
скорость скольжения (или качения при заданном
проскальзывании). Так, по ГОСТ 426-57, при испытании на машине типа
Грассели (см. рис. 265) в режиме А одновременно вычисляется
коэффициент трения [i = F[N.
Однако при испытании на истирание условия существенно
интенсифицированы. Высокие скорости скольжения приводят к
значительному разогреву материалов в контакте, повышение жр
температуры влияет на результаты определения \і; в то же
время оно не контролируется. Для ускорения истирания
применяется абразивный материал (шкурка). Измерение р, в этом
случае не представляет практического интереса. На машинах
для истирания во многих случаях применяется необновляемая
поверхность абразива. При измерении ц это приводит к мало
воспроизводимым результатам. Наконец, в ужесточенных
условиях испытания, когда происходит разрушение резины
(например, образование скаток, крошки из истертого материала),
условия в контакте также изменяются.
Недостатком большинства машин для истирания является
отсутствие широкого набора скоростей скольжения, а также
специальных приспособлений для точных замеров и
регулировки параметров F, N и U.
Известен ряд специальных приборов для измерения
коэффициента трения25 55~71.
При измерении коэффициента трения могут быть
реализованы те же режимы, что и при испытании на истирание (см.
раздел ] дайной главы).
5. Измерение коэффициента трения
505
Коэффициент трения ц, как и сопротивление истиранию,
существенно зависит от температуры в контакте, состояния
поверхности образца и контртела, относительной скорости их
скольжения, влажности, наличия смазки в контакте и ряда
других факторов: при этом наблюдаются определенные
зависимости коэффициента трения от абсолютной величины
параметров испытания U, F и N56.
Методически трудно определим коэффициент трения покоя
|Хо. На практике его измеряют либо при переходе от покоя к
Рис. 276. Схема прибора для определения
коэффициента треиия с помощью маятникового
динамометра:
/—твердая подложка: 2—образец: 3—груз, создающий
нормальное давление; 4—трос; 5—шкив; 6—барабан; 7—перо
самописца; 8—поступательно перемещающийся шток; 9—маятник с
грузом; 10—шкала.
заданной скорости скольжения, либо экстраполируя
зависимость ц от скорости скольжения U до значений U=0.
Экстраполяция тем точнее, чем больше экспериментальных точек при
очень малых скоростях скольжения. При переходе от покоя к
движению момент «трогания» (начало движения) определить
трудно, и чем выше скорость скольжения, тем резче
сказывается зависимость и от U я влияние сил инерции. Поскольку в
области малых скоростей ц. резко снижается с уменьшением
скорости, оба способа измерения цо (экстраполяционный и
перехода от покоя к движению) оказываются мало точными.
Наиболее широкое распространение нашли трибометры, на
которых коэффициент трения измеряется при заданных
нормальной нагрузке .'V и скорости скольжения U.
На рис. 276 показана схема прибора55 для определения
коффициента трения резины с помощью маятникового
динамометра (заданы N я U, измеряется F).
506
Гл. IX. Испытание резины на трение и истирание
Образец резины 2, прижимаемый к твердой подложке /
грузом 3, скользит по подложке под действием поступательно
перемещающегося с заданной скоростью штока 8, связанного с
образцом тросом 4. Трос 4 намотан на шкив 5 барабана 6
и при скольжении образца равномерно вращает барабан.
Кроме того, трос соединен с маятниковым динамометром 9. Подъем
маятника пропорционален силе тяги образца (т. е. силе трения
в паре образец — подложка) и вызывает вертикальное смещение
пера 7 самописца. Таким образом на барабане записывается
зависимость силы тяги (по вертикали) от пути образца (по
горизонтали).
Рис. 277. Трибометр Национального бюро
стандартов США для испытания в режиме заданных
скоростей скольжения и нормальной нагрузки:
1—кольцевой динамометр; 2, 5—тросы: 3—грузы; 4—каретка; 6—
проволочки; 7—приводной барабан; 8—площадка; 9—микрометр;
10—образец.
Более рационально применение безынерционного
динамометра, как это осуществлено в приборе Национального бюро
стандартов США56, схематически изображенном на рис. 277.
Каретка 4 с образцом 10 скользит по горизонтальной
площадке 8, подвешенной на стальных проволочках 2, 5 и
соединенной с кольцевым динамометром 1. Скорость скольжения
каретки определяется скоростью вращаемого от электромотора
с редуктором барабана 7, на который наматываются
проволочки 6, тянущие каретку 4. Нормальная нагрузка на образец
задается величиной груза 3. Деформация динамометра 1,
пропорциональная сдвиговой силе, возникающей в контакте образец—
площадка измеряется микрометром 9.
Аналогично устройство других трибометров68, работающих
в режиме А.
Режим В (заданы F и N) осуществляется на другом приборе
Национального бюро стандартов США56 (рис. 278).
Здесь каретка / с образцом, на которую подвешены грузы 2,
скользит по наклонной площадке 3. Изменяя угол наклона пло-
5. Измерение коэффициента трения
507
щадки, меняют соотношение зависящих от него величин
нормальной и сдвиговой нагрузок. При скольжении каретки на
ленте самописца 4 записывается изменение скорости
скольжения во времени. Практически скорость скольжения
стабилизуется не сразу, что, по-видимому, связано с переходом от
покоя к движению.
Для стационарных (установившихся) значений измеряемых
величин, данные, полученные в режиме В, могут совпадать с
данными режима А только при
условии, что ц монотонно возрастает с
увеличением скорости скольжения U. В
действительности же зависимость |i от
U более сложна, особенно если
испытания не проводятся в строго
изотермических условиях. В последнем
случае зависимость F от U становится
неоднозначной, и стационарных
условий достичь не удается.
Режим Б в принципе может быть
реализован, однако о конкретных кон-
в этом режиме, ничего не известно.
Наибольшее практическое
применение вследствие простоты,
надежности и возможности широкого варьиро-
р рц: РУзы;
3-площадка; -«-самописец: 5-под-
веска дпя грузов.
Рис. 278. Трибометр
Национального бюро стандартов
США для испытания в
режиме заданных сдвиговой и
- „ нормальной нагрузок:
вания параметров нашел режим А. /_каретка с образцом: г-гРУзы;
ПрИМеНЯЮТСЯ И более СЛОЖНЫе РЄЖИ 3 « 5
мы испытания6".
Описан вариант трибометра69, в
котором задаются нормальная нагрузка и скорость скольжения
неподвижно закрепленного образца по движущейся
поверхности. Последняя проходит ванну, в которой находится смазка.
На поверхности образца наклеены проволочные тензометры.
Таким образом, определение коэффициента трения (силы
сдвига между образцом и контактирующей с ним поверхностью)
может производиться при наличии периодически обновляемой
смазки; наряду с F измеряется деформация є поверхности
образца при контакте.
По проекту ГОСТ70, испытание производится на образцах,
изготовленных в виде прямоугольных полос размерами 60Х
Х20ХІ мм3. Тонкие пластины A±0,2_лш) можно изготовить и
из изделий.
Резина 3 закрепляется в зажиме 5 каретки 2 (рис. 279).
Каретка (весом 0,1 кгс), нагруженная грузом /, посредством
троса 6 связана с силоизмерителем. Ползун 4 приводится в
508
Гл. IX. Испытание резины на трение и истирание
движение со скоростью 1 мм/мин. При малой скорости разогрев
тонких образцов практически отсутствует. Сдвиговая
нагрузка F определяется по силоизмерителю не ранее, чем через
5 мин от начала движения ползуна (при установившемся
значении F). Груз / обычно выбирается весом 4 кгс, что
соответствует контактному давлению
3 кгс/см2. Материал поверхности
ползуна, контактирующей с резиной —
сталь Ст.20; поверхность обработана
по 10-<му классу точности. (При
необходимости может быть выбран любой
другой твердый материал с различной
чистотой обработки.)
Испытания каучуков и
невулканизованных резиновых смесей на трение
производятся аналогично испытанию
вулканизатов. Трудность возникает,
Рис. 279. Схема прибора для
измерения коэффициента
трения:
1—груз; 2—каретка; 3—образец
(резиновая полоска); 4—ползун; 5—зажим;
6—трос.
Рис. 280. Трибометр
Лаврентьева:
/—образец; 2—цилиндр;
a—поршни; 4—опоры; 5—
динамометр; 6—датчики
сопротивлений;
N—нормальная нагрузка; F—
сдвиговая нагрузка.
однако, при заготовке образцов с определенной геометрией и
степенью гладкости поверхности, а также при решении
вопросов об исключении растяжения образцов и замазывания
поверхности контртела, в частности при повышенных
температурах.
В первом приближении для невулканизованных резин, по-
видимому, наиболее пригоден трибометр Лаврентьева68
(рис. 280).
Материал / помещается в цилиндр 2 и сжимается в нем
поршнями 3. Нижний поршень упирается в неподвижную опо-
5. Измерение коэффициента трения 509
ру 4, а верхний — в динамометрическое кольцо 5, связанное с
электрической измерительной схемой посредством наклеенных
на его поверхность датчиков сопротивлений 6.
Нормальная нагрузка передается на поршни 3 через
кольцо 5 от штока 6. При этом предполагается, что давление,
создаваемое этой нагрузкой, равномерно передается по образцу
во всех направлениях. Пределы расчетных давлений составляют
от 0,1 до 1000 кгс/см2.
Прибор требует тщательной приработки поршней,
исключающей затекание смеси за поршни.
Следует, однако, отметить, что формальные измерения
коэффициента трения сырых смесей лишены, по-видимому, научной
основы. На практике наряду со скольжением в смеси
реализуется течение. Разделение составляющих трения и течения
требует детального обследования закономерностей этих
процессов. Так, например, характеристики трения и течения каучу-
ков и резиновых смесей получаются при испытании на
сдвиговом вискозиметре Муни72 или биконическом вискозиметре Пай-
пера—Скотта66, при сопоставлении измерений момента
вращения на оси гладкого и рифленого роторов, и основаны на ряде
ЭКГ" прпимрнтяльнп nnnRPnuPMbiy ттпрдпплпжрним О ЗЗКОН8Х тр-
чения и скольжения и проведении соответствующих более или
менее приближенных расчетов.
510 Гл. IX. Испытание резины на трение и истирание
ЛИТЕРАТУРА
1. И. В. Крагельский, Трение и износ, Машгиз, 1962.
2. Г. М. Бартенев, ДАН СССР, 56, 1161 A954); 103, 1017 A955);
Коллоид, ж., 18, 249, 626 A956); 19, 397 A957).
F. S. Conant, J. W. Liska, Rubb. Chem. Technol., 33, 1218 A960).
M. M. Резниковский, Каучук и резина, № 5, 34 A960).
А. Шалламах, Химия и технология полимеров, № 4 A959).
A. Schallamach, Proc. Phys. Soc, 65В, 657 A952); 66В, 386 A953).
D. В и 1 g і n, G. В. H u b b а г d, M. H. Wolters, Proceed. Rubb.
Tecnol. Confer., London, 1962.
С. Б. Ратнер, В. Д. Сокольская, Хим. пром., № 1, 27
A955).
М. М. Резниковский, Каучук и резина, № 9, 33 A960).
М. М. Резниковский, Г. И. Бродский, Каучук и резина,
№ 7, 18 A961).
А. П. Рудаков, Е. В. К У в ш и н с к и й, Тезисы докладов и
сообщений. Совещания по фрикционному износу резин, 11—14 февраля
1961 г. (ВХО им. Менделеева), 1961. «Фрикционный износ резин», Изд.
«Химия», 1964, стр. 46
Г. И. Бродский, Н. Л. С а х н о в с к и й, М. М.
Резниковский, В. Ф. Евстратов, Каучук н резина, № 8, 22 A960).
Г. И. Бродский, С. Б. М е р е ж а н н ы й, М. М.
Резниковский, Н. Л. С а х н о в с к и й, в сб. «Физико-мехаиические
испытания каучука и резины», Госхимиздат, 1960, стр. 78, (Труды НИИШП,
сб. 7).
Н. Л. С а х н о в с к и й, С. А. Иванова, М. В.
Мельникова, С. Б. Ратнер, М. М. Резниковский, Л. А.
Смирнова, Каучук и резина, № 10, 8 A958).
R. G. Newton, J. R. Scott, W. H. W і 1 1 o t, J. Rubb. Res.,
17, 69 A948). R. G. Newton, j. R. Scott, Rubb. Cham. Techn.,
22, Ns 1 A949).
W. Viehman, Kautschuk u. Gummi, 8, WT227 A955); 10, WT115
A957).
Г. Ш. И з p а е л и Т, Механические испытания резины и каучука,
гл. IX, Госхимиздат, 1949.
I. Williams, Ind. Eng. Chem., 19, 674 A927); Rubb. World, 136, 75
A957).
ASTM D394—47. Standard Methods of Test for abrasion resistance of rubber
compounds.
ГОСТ 426—57. Резина. Метод испытания на истирание на машине типа
Грассели.
ГОСТ 267—60. Резина. Методы определения плотности.
ГОСТ 426—41. Испытание резины на истирание на машине Грассели.
ISO/TC 45. Doc. № 217 A955); Secretariat-74, 99, CN 497 A951).
С. Б. Ратнер, М. В. Мельникова, Каучук и резина, № 8,
14 A958).
С. Б. Ратнер, М. М. Резниковский, Ю. С. Зуев, Зав.
лаб., № 7, 849 A954).
P. A. S і g 1 е г, W. L. Holt, India Rubb. World., 82, 63 A930).
DIN 53516. Bestimmung des Abriebs.
F. M. G a v a n, S. W. E b у, С. С S с h r e d e r, ASTM Bulletin,
№ 143, 23 A946).
Литература 511
29. R. Herzog, R. H. Burton, Rubb. Chem. Technol., 27, № 2, 494
A954).
30 T. R. G. Lewis, Trans. IRI, 21, 375 A946).
31. J. M. В і er er, С. С. Davis, Trans. IRI, 3, 151 A927); ASTM
Standards, 1939, Part III, 824.
32. Rubb. Age (New York), 37, 12 A935); S. Reissinger, Arch,
Techn. Messen, Lfg 215, 277—280, Dezember A953).
33. J. F. Morrley, J. R. Scott, J. Rubb. Res., 16, 129 A947).
34. J. R. Scott, J. Rubb. Res., 17, 75 A948).
35. J. M. В uist, India Rubb J., 120, 451 A951); 121, 180 A951); Rubb.
Chem. Technol., 25, 107 A952).
36. K. Wallinger, H. H e t z, V. D. I. Forschungsheft, № 449, 40 A955).
37. J. Burns, E. Story, Ind. Eng. Chem., 20, 895 A952).
38. С. Б. Ратнер, Г. С. К л и т е н и к, М. В. Мельникова,
Доклад на III Всесоюзной конференции по трению и износу, апрель
1958 г.; С. Б. Ратнер, В. Е. Г у л ь, Г. С. К л и т е н и к,
Wear, 2,№ 2, 127. Зав. лаб., 25, 1379 A959); Тезисы докладов и
сообщений, Совещания по фрикционному износу резин, 11 —14 февраля 1961 г.
(ВХО им. Менделеева), 1961. «Фрикционный износ резин», Изд,
«Химия», 1964, стр, 77.
39. L. J. Lambourn, Trans. IRI, 4, 210 A928).
40. D. В е с k m a n, Abriebstudien nach dem Dunlop-Lambourn Prinzip,
Deutsche Kautschuk Gesellschafte Vortragung 8 Oktober 1960 in Berlin.
41. R. L. Zapp, Rubb. "World, 133, № 1, 59 A955).
42. E. F. P: v.' с с 1, S. \V. G с u g h, Proceed. Ill Rubber Techno!. Confer.,
England, Cambridge, 1954, p. 460; Rubb. World, 132, № 2, 201 A955).
43. J. W. Adams, J. A. Reynolds, W. E. Messer, L. H. How-
land, Rubb. Chem. Technol., 25, № 2, 191 A952).
44. G. E b e r t, Weidner, Rubb. Chem. Technol., 28, № 4, 1082 A955).
45. A. E. J u v є, а. о t h., ASTM Bulletin, № 146, 77 A947); J.
Williams, Rubb. Age (New York), 81, 95 A957); Text. Res. J., 27, 649
A957).
46. H. A. D a n у n e s, India Rubb. J., 9, 15 A940); J. Rubb. Res., 12, 90
A943).
47. W. W. Vogt, Ind. Eng. Chem., 20, № 3, 302 A928).
48. L. H. Howland, White, Rubb. Chem. Technol., 25, 191 A952);
A. E. Juve, J. H. Fiel ding, F. L. Graves, ASTM
Bulletin, № 146, 77 A947).
49. T. R. D a w s о n, B. D. P о г г і t t, Rubber Physical and Chemical
Properties, Croydon, Research Assoc. Brit. Rubb. Manuf., 1935, стр. 540.
50. N. С. H. Humphreys, Trans. IRI, 31, 103 A955).
51. B. S. 903, Part 24, 1950.
52. M. M. P є з и и к о в с к и й, Б. К- Кармин, Л. П. Никола-
е в, авт. свид. МХП, 10638, 1956 г. Бюлл. изобрет. № 5, стр. 66,1957 г.
53. С1. Р г a t. Rev. Gen. Caout., 34, 1122 A957); 36, 681 A959).
54. Rubb. World, 138, 627, 630 A958).
55. С Б. Ратнер, В. В. Лаврентьев, ДАН СССР, 108, 461 A956).
56. F. L. Roth, R. L. D r і s с о 1 1, W. L. Holt, J. Res. Bur. Stand.,
28, 439, R. P. 1463 A942).
57. J. A. Hurry, J. D. Prock, India Rubb. World, 128, 619 A953).
58. P. Denn i, Proc. Phys. Soc, 66B, 721 A953).
59. V. E. Gough, Kautschuk u. Gummi, 11, WT303 A958).
60. В. Сапронов, Бюлл. техн. информ., № 4, 21 A957), Омский шинный
завод.
61. В. М. Ш а н н и к о в, Каучук и резина, № 12, 18 A939).
Литература
62. С. Wilkinson, India Rubb. World, 128, № 4, 475 A953).
03. W. Kern, Kautschuk u. Gummi, 6, 88 A952).
o4. W. Spat h, Gummi u. Asbest, 5, 188 A953).
65. F. L. С о n a n t, J. K. D u m, С. М. Cox, Ind. Eng. Chem., 41,
120 A949); Rubb. Chem. Technol., 22, 863 A949).
об. А. И. Л у к о м с к а я, Л. Ф. Гудкова, С. Б. М е р е ж а н-
ный, П. Н. Орловский, М. М. Резниковский, Каучук
и резина, № 4, 21 A962).
67. В. Boonstra, Trans. IRI, 26, 281 A950).
68. Г. М. Бартенев, В. В. Лаврентьев, Изв. АН СССР, ОТН,
№ 9, 126 A958); Г. М. Б а р т е и е в, 3. Е. С т ы р а н, Высокомол.
соед., 1, 978 A959); В. В. Лаврентьев, Plaste u. Kautschuk, 10.
72 A963).
69. В. Д. Евдокимов, В. С. Р а д ч и к, А. С. Р а д ч и к, ДАН
СССР, 128, 921 A959).
70. Проект ГОСТ. Резина. Метод определения коэффициента трения.
71. В. В. Лаврентьев, Каучук и резина, № 9, 33 A961).
72. М. Mooney, Intern. Rubh. Confer. Washington. Nov. 8—13, 1959.
ПРЕДМЕТНЫЙ УКАЗАТЕЛЬ
Абразивный износ резин 480, 483, 484
Автоматические пластометры 75 ел.
Автоматическое регулирование
концентрации озона 431 ел.
температуры при испытаниях
на морозостойкость 443 ел.
Адгезиометр Дерягина 80
Адгезия 80
и трение 475 ел.
работа 79
Александрова и Гаева прибор 298, 299
Амортизатор резиновый 267
Амплидии 152
Амплитуда
деформаций и динамический
модуль 251, 265 ел.
напряжений 251, 326, 333
Лнджиолетти вибратор 296
Аппараты искусственной погоды
419 ел.
Аутогезия 80
Аш-метод выдергивания нитей
корда из резины 384, 386,
387
Башора эластометр 281
Бекмана машина 504
Бера клейкометр 80, 81
Бидврмана маятник для определения
динамических свойств
резины 287, 288, 315, 455
Биконические и бицилиндрические
вискозиметры 66, 509
Бирера-Дэвиса бомба 415
Брабендера пластограф 66
Бройля эластометр 281
Буссе, Ламберта и Вердера
клейкометр 81, 82
Ван Интерсена принцип измерения
эластичности по отскоку 281
Ван Россема пластометр 48
Вариации коэффициенты 20, 67, 178,
179, 183, 417
Вебера пластометр 52
Везерометры 419 ел.
Весы
Каргина 440
Марголиной и Воюцкого 80
Вибратор(ы)
вилочные 297
гармонический 316
резонансные 294 ел.
Шоппера 339
Вильямса
плаетометр 47, 48
эластометр 281
Вискозиметр (ы)
биконические и бицилиндрические
66, 509
ВР 60, 61, 68
Муни 59 ел., 64, 66, 67, 69 ел., 509
ригациинные 40
сдвиговые 57 ел., 69, 78
Витнея эластометр 281
Внутреннее трение 254 ел., 336
и усталостная прочность резины
333, 334
модуль 255, 269 ел., 313
Воздушные термостаты (камеры)
для испытаний резин
на морозостойкость 443, 444
на старение 412 ел.
для разрывных машин 160 ел.
Володина и Кувшинского установка,
блок-схема 308, 309
Восстанавливаемость резины 453 ел.
Воюцкого аутогезиометр 80
Время
«безопасное» 68
дублирования 38, 39
«критическое» вулканизации 77
прогрева заготовок 69
релаксации 30, 31, 33, 34, 102 ел.,
258, 259
Вулкаметры 71, 73, 74
Вулканизация
и кристаллизация резины 441
и прочность резины 336
«кинетика» 37, 72 ел.
оптимум 37, 71 ел., 453 ел.
преждевременная 14, 68 ел.
при заготовке образцов 167
33—2406
514
Предметный указатель
Вулканизация
скорость 14
степень 12, 77, 97, 336
Вулканизуемость резиновых смесей
36, 37, 68 ел.
Выборочные средние величины и
стандарты 19, 20
Еыдавливающие пласгометры 53 ел.,
67, 69
Выдергивание нитей корда из
резины 382 ел., 398 ел.
Выносливость 25
стыков многослойной системы 374,
375
усталостная 322, 326 ел.
Вынужденная эластич. резины 111
Вынужденные колебания
нерезонансные 298 ел.
резонансные 294 ел.
Вырубка образцов для испытаний
167 ел., 175 ел., 185
Высокоскоростные разрывные
машины 155 ел., 180, 182
Высокоэластическая деформация 11,
28 ел., 101
Высокоэластическое состояние
полимеров 11
Высокоэластичность резины 28, 91,
250, 256
и температура 439
кинетическая теория 94, 95, 97
модуль 29, 30, 101 ел.
Вязкое течение полимеров 29, 37
Вязкость резиновых смесей 59, 68 ел.
Гавана машина 496
Гармонический вибратор НИКИМП
316
Гастона эластометр 281
Гаусса
закон 19, 24
кривые распределения
показателей 20, 94
Гекстра пластометр 48, 75
Гемана и Клиффорда флексинг-ма-
шина 367
Гемана торсионный прибор 463 ел.
Генеральные средние величины и
стандарты 19, 20
Генлея машина 399, 400
Гепплера
консистометр 42, 48
ультротермостаты 219
Гилея-Гудьира маятник 284 ел.
Гира печь 412
Гистерезисная петля 199, 256, 299,
305, 310
Гистерезисная теория трения резины
476, 477
Гистерезисные машины 22, 199, 378
Гистерезисные потери 276, 278
Гистерезисные свойства резины 199,
200, 251, 252, 255, 265, 335
Граничный слой 373
Грассела машина 489, 490
Графический метод определения
сопротивления
растрескиванию резины 360 ел.
Гудрича
пластометр 48, 49, 69
флексометр 348, 395, 398
Гука закон 30, 93
Гуля и Ковриги высокоскоростная
разрывная машина 158 ел.
Гумбольдта пенетрометр 42
Данилова пластометр 42
Данлопа — Лембурнй машина 498 ел.
Датчики разрывных машин 133 ел.
Де-Маттиа машина 340, 345, 359
Демпферы ЗО, ГО1
Дерягина адгезиометр 80
Дефометры 49 ел., 67, 229
Деформация (и)
аддитивность 29
амплитуда и динамический
модуль 251, 265 ел.
высокоэластическая 11, 28 ел., 101
выступа 482
и напряжение 11, 23, 24, 29 ел.,
92 сл„ 268
необратимая и обратимая 28. 40,
42, 44, 67, 101
остаточная см. Остаточная
деформация резины
пластическая 28 ел.
ползучести 214, 215
предварительная 97, 98
работа 95, 199
растяжения 142 ел.
сдвига 57 ел., 207
сжатия 196, 197
скорость 11, 30, 65, 67, 103, 121,
122, 124, 155 ел.
упругая 28 ел., 101
Деформируемость каучуков и
резиновых смесей 39 ел., 75 ел.
Диллона пластометр 55, 56
Динамическая прочность связи
резины с другими
материалами 392 ел.
Динамические испытания резины 16
на прочность 25, 321 ел.
на упругость и гистерезис 250 ел.
Предметный указатель
515
Динамические свойства резины 199,
200, 250 ел., 298 ел.
Динамический модуль резины 37,
251, 252, 254, 255, 265 ел.,
269 ел., 289, 313, 336
Динамометр (ы) см. также Силоизме-
рители
ВХО им. Менделеева 216, 217
маятниковые 505, 506
поплавковые 219, 220
Диффузионная теория склеивания
резины 37, 38
Доверительные пределы измерений 25
Долговечность резины 119 ел.
Допускаемые отклонения от средней
величины 21, 22, 24
Дублирование резиновых смесей 38,
39, 41
Единицы
вязкости 59, 68 ел.
твердости 233, 234, 237, 240, 241
Естественное старение резин 407 ел.
Жесткость резиновых смесей 51, 66,
67
Жесткость резины
коэффициент возрастания 451, 452
«торсионная» 463 ел.
Журкова и Томашевского разрывная
машина 182 ел.
Заготовка образцов для испытаний
13, 17, 40, 45, 61, 63, 76,
166 ел., 395 ел.
Зажимы и приспособления для
закрепления образцов
при испытаниях
на многократное сжатие 347
на прочность 179
— — связи резины с другими
материалами 397, 401
на твердость 244
при определении релаксационных
свойств резины 139 ел., 161,
165, 166
температуры хрупкости
резины 447, 450
Закон
Гаусса 19, 20, 24, 94
Гука 30, 93
Ньютона 29 ел.
степенной выносливости стыка 374
экспоненциальный релаксации
104 ел.
Зоннтага вибратор 309, 310
33*
Зоны разрыва на поверхности
резины 113
Зуева и Кузьминского прибор 418,
419
Мерзли осоциллограф 291, 292
Изгиб и кручение при определении
релаксации напряжений 209,
210
Износостойкость резины 486 ел.
Израелита экспресс-пластометр 75
Инденторы 228 ел.
Инстрона разрывная машина 151, 152
Искусственное старение резины 407,
411 ел.
Испытание каучуков и резиновых
смесей на клейкость 79 ел.
Испытание (я) резины
в режиме качения 313 ел., 497
скольжения 489 ел.
и кондиционирование воздуха 17
методы см. Методы механических
испытаний
на восстанавливаемость 200,
435 ел.
ня гигтрпрчиг 1QQ 90A
на изгиб 126, 209, 210, 311, 315,
353 ел., 359, 363, 398, 460
на износостойкость 486 ел.
на кручение 209, 293, 356 ел.,
462 ел.
на морозостойкость 442 ел.
на отрыв 387, 388
на ползучесть 206, 207, 210 ел.
на прочность
в динамических условиях
321 ел.
долговременную 181, 182
посоедством стенда СЗПИ
355 ел.
при растяжении 175 ел. 189, 191
связи с другими
материалами 375 ел.
на раздир 22, 25, 115 ел., 125
на разрыв 25, 108 ел., 125, 161
на растяжение 124 ел., 142 ел.,
175 ел., 191 ел., 210 ел., 295
462 ел.
и сжатие 330
и сокращение 199, 200
многократное 313, 339 ел., 401,
402, 428, 429
на релаксацию напряжений 206 ел.,
216 ел.
на сдвиг 57 ел., 71, 206, 207, 294,
303 ел., 330, 38S, 389
516
Предметный указатель
Испытание (я) резины
на сдвиг
многократный 349, ел., 375,
376, 396 ел.
на сжатие 22, 43 ел., 75 ел., 126,
195 ел., 203 ел., 295, 296,
298 сл„ 400, 451 ел., 469 .
многократное 345 ел., 401, 402
на сопротивление образованию и
росту трещин 358 ел.
на срез 126
на старение 18, 25, 406 ел.
на стенде СЗПИ 355 ел., 397
на твердость 228 ел., 467 ел.
на теплообразование 345, 346
на усталость 17, 323 ел.
на эластичность по отскоку 273,
276, 280 ел., 455
при постоянстве динамической
работы 310
Истирание резины 478
посредством скатывания 481 ел.
усталостное и царапанием 480
Каландровый эффект 17
Камеры (см. также Термостаты) для
испытаний резины
на морозостойкость 443, 444
на старение 429, 430
Канавца вискозиметр 62 ел., 71, 78
Каргина весы 440
Кармина и Эпштейна прибор 342, 343
Катапультный прибор для
высокоскоростных деформаций 156, 157
Каучук
деформируемость 39 ел.
испытания на клейкость 79 ел.
кристаллизация 440, 441
пласто-эластические и
релаксационные свойства 11, 12,
28 ел.
Каучукоподобное состояние 11
Керна образцы 368, 369
«Кинетика» вулканизации резиновых
смесей 37, 72 ел.
Кислородная бомба для старения ре- •
зины 415 ел.
Клаша и Берга прибор 4G3, 464, 46G
Клейкометры 80 ел.
Клейкость каучука и резиновых
смесей 37 ел., 79 ел.
Когезия 80
Колебания
резонансные 294 ел.
свободные см. Свободные
колебания
Кольцевой модуль резины 77, 198,
199
Комплексный модуль резины 252 ел.,
257, 262, 263, 265, 268, 274,
279, 307, 439
Кондициметр Марея 77, 78
Кондиционирование воздуха и
испытания резины 17, 174
Консистометр Гепплгра 42, 48
Концентрация озона 425, 426
и время растрескивания резины
422, 423
контроль и автоматическое
регулирование 430 ел.
Копры маятниковые 281 ел.
Корнфельда и Поздняка прибор
299 ел.
Корнфельда прибор 459
Короля пластометр 53, 54
Костена вибратор 294
Коха, Банте.гьмана и Пааша машина
349
Коэффициент (ы)
вариации 20, 67, 178, 179, 183,
417
возрастания жесткости 451, 452
восстанавливаемости формы 454,
455
затухания колебаний 275
истирания 479, 484 ел.
концентрации напряжений 333
морозостойкости резины 181, 459,
461, 462
нелинейности 265, 266
Пуассона 265, 462
сопротивляемости повторности на-
гружения 335, 374
старения резины 409, 410, 412
стойкости резины к набуханию
126
теплостойкости резины 181
трения 126, 474 ел., 504 ел.
усталостной выносливости резины
327, 333, 356, 374
Крабтри и Кемпа устройство для
контроля концентрации
озона 430 ел.
«Краевые» эффекты 66, 279
Кривые
вулканизуемости 36
Гаусса 19
деформация — сокращение 199
калибровочные твердомера Шора
239
«кинетики» вулканизации 72
пластичность — время прогрева 69
Предметный указатель
517
Кривые
распределения показателей 20, 94
— прочности 114
резонансные 278
реологические 35, 40
склеивания 38, 39
термомеханические 439, 440, 457,
458
Кристаллизация каучука 440, 441
степень 467, 469
Кротовой и Яншина прибор 80
Крутильные маятники 293, 294
Кручение, испытания резины 209,
293, 356 ел., 462 ел.
Ксенотест 420, 421
Куна торсионный маятник 466
Кюрометры 71 ел.
Лаврентьева трибометр 508, 509
Лембурна машина 498
Лефкадитиса пласто.метр 42, 48
Линдгорста пластометр 48
Логарифмический декремент
затухания колебаний 276
Логарифмический метод определения
нию резины 360, 361
Люпке резильометр 283
Максвелла
механическая модель 30, 33
уравнение 29, 106
Марголиной и Воюцкого весы 80
Марея кондициметр 77, 78
Мартенса прибор 349
Марцетти и Бере пластометр 56
Машина(ы) см. также Приборы
гистерезисные 22, 199, 378
для вырубки образцов 45 ел.
для изучения динамических
свойств резины ЗЛ ел.
для испытаний резич;:
на изгиб и кручение 353 ел.
на износостойкость 489 ел,
на прочность связи с другими
материалами 379, 383 ел.,
393 ел., 396 ел.
на растяжение 339 ел.
на сдвиг 349 ел.
на сжатие 345 ел.
на сопротивление
растрескиванию 359, 366 ел.
ИМИ 3 501 ел
МИ-2 489 ел
МИР-] 502
Машины
МРС-2 3G8, 393, 395, 398, 401, 402
разрывные см. Разрывные
машины
с обновляемой поверхностью
абразива 495, 496, 503
угловые 500
Маятник(и)
Бидерамана см. Бидермана
маятник
Гилея-Гудьира 284 ел.
КМР-01 288
крутильные 293, 294
Маятниковые динамометры 505, 506
Маятниковые копры 281 ел.
Маятниковые силоизмерители 129 ел.,
136, 137, 153 ел., 161 ел., 192
Маятниковые эластометры 286, 287
Межмолекулярное взаимодействие
и адгезия 475
и динамический модуль 269
и релаксация напряжений 12
и температура 12
Мережанного приспособление для на-
цах 187, 188'
Метод(ы)
автоматического регулирования
концентрации озона 431 ел.
описания механических свойств
полимеров 33
определения
вулканизуемое™ резиновых
смесей 68 ел.
деформируемости каучука и
резины 39 ел.
динамических свойств резины
273 ел.
показателей Т-50 и ТР 453, 454
сопротивления
растрескиванию резины 360 ел.
частоты и затухания свобод-
ных колебаний 289 ел.
отрыва резины от металла 22
охлаждения резиновых образцов
443 ел.
оценки пласто-эластических
свойств резины 40 ел.
пенетрации 39, 41 ел.
приведения переменных 35, 259 ел.
Методы механических испытаний см.
также Испытания каучука
и резины
готовых изделий в
эксплуатации 13
518
Предметный указатель
Методы механических испытаний
динамические 16
контрольные 15, 16
лабораторные 13
модельный 30, 101
общие 13, 14, 16
стандартизация 25 ел.
статические 16
специальные 14 ел.
точность 22 ел.
чувствительность 16, 21, 41, 65
Механические модели
Максвелла 30, 33
резины 101, 102
упруго-вязких тел 29 ел.
Механические потери 276, 278
при динамическом нагружении
резины 252, 271, 272
при испытаниях резины на
эластичность по отскоку 289
Механо-химические явления 12, 25,
40
Микрометры 365, 366
Микротвердомеры 241 ел.
Микротвердость 244
Модельные конструкции 13
Модельный метод описания
релаксационных и упруго-вязких
свойств каучука и резиновых
смесей 30, 101 ел.
Модуль
внутреннего трения 255, 269 ел.,
313
высокоэластичности 29, 30, 101 ел.
динамический 37, 251, 252, 254,
255, 265 ел., 269 ел., 289,
313, 336
кольцевой 77, 198, 199
комплексный 252 ел., 257, 262,
263, 265, 268, 274, 279, 307,
439
неравновесный 192, 195, 269 ел.
потерь 254
при заданной степени удлинения
191
равновесный, квазиравновесный и
условно-равновесный 96 ел.,
194, 269 ел.
сдвига 93, 94, 234, 463, 466
сжатия 93, 195
статический 292
эластичности 22, 29, 33, 193
Юнга 93, 94, 155, 228, 234, 254,
265, 460, 462
Модульные рамки 192 ел., 202, 203
Модульный прибор 22
Мойла и Флетчера вибраторы 294
Морозостойкость резины 22, 181,
438 ел., 442 ел.
Муки
вискозиметр 59 ел., 64, 66, 67,
69 ел., 509
единицы вязкости 59, 68 ел.
прибор для определения упруго-
гистерезисных свойств
резины 313
Муни и Герке маятник 293
Мягкость резины 45, 66, 67
Мягчители и свойства резины 98,
108, 123, 336
Надрезы
и усталостная выносливость
резины 331, 332
нанесение на образцы 185 ел.
Наполнители
и жесткость резины 97
и прочность резины 124, 335
и релаксация напряжений 108
и теплообразование 272
и упруго-гистерезисные свойства
резины 269, 270
Напряжение(я)
и деформация 11, 23, 24, 29 ел.,
92 ел., 268
и долговечность 119 ел.
и прочность склеивания 39
и скорость сдвига 35, 36
истинное при разрыве 180
и температура 100
и удлинение 199
равновесное и квазиравновесное
96 ел.
релаксация 11, 12
Наунтона и Варинга виьратор 2У4
Нельсона маятник 293, 294, 466
Немеханические факторы, влияние на
свойства резины 12, 13, 18
Неньютоновское течение полимеров
32, 57
Нехрупкое разрушение застеклован-
ной резины 442, 443
Нолле осциллограф 290
Ньютона закон вязкого течения 29 ел..
Образцы
вырубка 167 ел., 175 ел., 185
для испытаний резины
на истирание 500
на машине МИ-2 491, 492
МРС-2 359
Предметный указатель
519
Образцы
для испытаний резины
на прочность связи с другими
материалами 377 ел., 384,
385, 389 ел.
на раздир 183, 184
на усталостную выносливость
342, 345
заготовка 13, 17, 40, 45, 61, 63,
76, 166 ел., 395 ел.
зажимы см. Зажимы и
приспособления для закрепления
образцов
Керна 368
мягкость и жесткость 66, 67
нанесение надрезов 185 ел.
«отдых» 40, 54, 55, 411
охлаждение при испытаниях
резины на морозостойкость
443 ел.
«разнашивание» 279
расслоение при высокой
температуре 380
с канавками 363, 368, 369
с переменным углом установки 500
JПС 1Т-7 Olfl
С 1Т-7 Olfl
347, 354, 401, 402
Озон
генерирование 426, 432
концентрация 423
Озонаторы 426, 427, 433
Озонное старение (растрескивание)
резины 18, 332, 406, 407,
409, 410, 423 ел.
Оптимум вулканизации 37, 71 ел., 453
Остаточная деформация резины
определение 200 ел.
при испытаниях
иа морозостойкость 452
на ползучесть 214, 215
Остаточное сжатие резины 204 ел.
Относительная погрешность
измерений 20, 23
Относительное удлинение резины при
разрыве 22, 109, 179, 201 ел.
Отрыв
адгезионный (когезионный) 80
сопротивление 79
Отслоение
нити корда от резины 383, 385,
386
при испытаниях каучука на
клейкость 79
Осциллографы 290 ел., 310
Павлова вискозиметр 65
Пайна машина 305, 306
Пайнтера машина 305
Пайпера—Скотта вискозиметр 509
Пенетрация 41 ел., 74, 468
Пенетрометры 41 ел., 241, 467, 468
Петля динамического гистерезиса
199, 256, 299, 305, 310
Печь Гира 412
Пикотвердомеры 246, 247
Пластическая деформация 28 ел.
Пластификаторы и свойства резины
98, 123, 270, 271, 336
Пластичность каучука и резины 28,
44, 45, 69
Пластографы 66
Пластометр(ы) см. также Сдвиговые
вискозиметры
автоматический 75 ел.
Вильямса 47, 48
выдавливающие 53 ел., 67, 69
Данилова 42
для экспресс-контроля сырых
смесей 74 ел.
Канавца 71
Лефкадитиса 42
преесформы 60 ел.
пружинные 75, 76
рычажные 75
сдвиговые 64, 67, 68
сжимающие 43 ел., 67, 69, 75
тарировка 64
Фрумкина и Дубинкера 42, 43,
74
Пласто-эластические свойства
каучука и резиновых смесей 14,
28 ел., 40 ел., 67, 68
Пневматический прибор для
высокоскоростных деформаций 157,
158
Поверхность
абразива обновляемая 495 ел.,
503
разрыва резины 113, 114
резины после истирания 484, 485
Погодомеры 419 ел.
Погрешности измерений 18 ел.
Подвулканизацйя резиновых смесей
48, 68 ел.
Полезная упругость резины при
растяжении 22
Ползучесть резины 33, 34, 181, 206,
207, 210 ел.
уравнения 103, 105
Поляни динамометр 216, 217
520
Предметный указатель
Поплавковый динамометр 219, 220
Портативные приборы для
определения твердости резины
465 ел.
Потери
гистерезисные 276, 278
механические см. Механические
потери
При машина 502, 503
Пргвило «трех о» 24, 25
Предел ,
вынужденной эластичности 111
прочности резины 109, 115, 121,
122
при разрыве 175
при растяжении 22, 175, 179
текучести 42
Преобразователи механических
величин в электрические 132 ел.
Прессы
для вырубки образцов 169
для испытания на остаточное
сжатие 204
Прессформы для вулканизации 167
Приборы см. также Машины и
Разрывные машины
для высокоскоростных
деформаций 155 ел.
для многократного изгиба 353,
354
— — кручения 356 ел.
— — растяжения 342 ел.
сдвига 304, 350 ел.
сжатия 298-, 299, 345 ел.
для определения
восстанавливаемости образцов 453 ел.
— — вулканизуемости резиновых
смесей 69 ел.
— — динамических свойств
резины 270 ел., 311 ел.
клейкости 80 ел.
— — морозостойкости 22, 443 ел.
452, 453, 461, 462
— — пенетрации 41 ел.
— — пласто-эластических свойств
резины 40 ел.
— — ползучести резины 210 ел.
— — прочности связи 379 ел.
— — твердости резины 231 ел.
— — температуры стеклования
455 ел.
— х упкости 447 ел.
Приборы
для определения
— — точки размягчения
резины 461
— — упруго-релаксационных
свойств резины 192 ел.
— — усталостной выносливости
резины 337 ел.
для старения резины 414, 431, 432
для утомления резины 343, 344
для экспресс-контроля сырых
резиновых смесей 74 ел.
общие требования 16 ел.
УПКМ 298
Приведения метод 259 ел.
Приводы разрывных машин 150 ел.
Привулкгк:-;зация 207, 3-ІР
Приспособление (я)
для испытаний на многократное
сжатие 346, 347
для нанесения надрезов на
образцы 185 ел.
— — проколов 363 ел.
для нарезки пластин из
резиновых заготовок 170
для определения остаточного
сжатия 204, 205
для регулирования толщины
клеевой пленки 379, 380
для снятия термомеханических
кривых 457, 458
для сохранения постоянства
напряжения в образцах при
растяжении 215
для установки образцов в
зажимах машины МРС-2 341,
342
к прибору УПКМ-3 459
реверсивные для определения
прочности связи 387 ел.
Шугая для определения
температуры хрупкости 448, 449
«Пристенный» эффект 53
Прогрев заготовок 68 ел.
«Произведение упругости» 180
Противоутомители 337
Прочность
резины 108 ел., 123
долговременная 109, 181, 182
и наполнители 124, 335
предел см. Предел прочности
резины
усталостная 322
склеивания 38, 39
Прочность связи 373 ел.
динамическая 392 ел.
Предметний указатель
521
Прочность связи
резины с единичной нитью корда
382 ел., 398 ел.
металлом 387 ел.
резиной и прорезиненной
тканью 377 ел., 393 ел.
статическая 377 ел.
Пуассона коэффициент 265, 462
Пузея—Джонса твердомер 231 ел.
Пюла установка 431 ел.
Работа.
адгезии 79
деформации 199
простого растяжения 189
расслаивания 39
трения 492, 493
Равновесное состояние 12, 92 ел.
Равновесно-упругие свойства резины
92 ел.
Раздир резины
испытания 22, 25, 115 ел., 125
сопротивление 182 ел.
характеристическая энергия
115 ел., 188, 189, 373
«Назнашиваш; » ооразц-- 4rJ, ;їа/
Разрыв резины
высокоэластический ПО ел.
зоны 113
испытания 25, 108 ел., 125, 161
пластический ПО ел.
удлинение 22, 109, 179, 201 ел.,
323
усталостное сопротивление 322
хрупкий ПО, 111, 182, 442
энергия 116, 117, 323, 335
Разрывные машины 22, 39, 40
высокоскоростные 155 ел., 180, 182
для испытаний на прочность
связи 378, 379, 380
Иистрона 151, 152
маломощные 150, 151
НИИШП 163, 165, 166
НИКИМП 153
определение прочностных
характеристик резины 175 ел.
применение 125, 126
с маятникгвыми силоизмерителя-
ми 1?9 ел., 136, 137, 153 ел,
161 ел., 191
устройство 127 ел.
электронные 131 ел., 161, 162
Рамки
для расслоемия образцов 379
модульные 192 ел., 202, 203
Распределение
времен релаксации, функции 34, 258
показателей измерений 19, 20, 24. 25
Распределители клеевого слоя па
дублируемых заготовках
379, 380
Растрескивание резины
озонное 18, 332, 406, 407, 409, 410,
423 ел.
сопротивление 22, 358 ел.
Реверсор 197, 209, 387 ел.
Режимы
испытаний
на износостойкость 478, 479,
486 ел.
на клейкость 80
на сжатие 44 ел.
при выдавливании
образцов 53
при пенетрации 41 ел.
нагружения 30, 67
динамические 250, 251, 271.
272, 323 ел.
статические 90 ел. .
Резильометры 280, 283
Резина ;
автоколеоания 216
влияние немеханических факторов,
на свойства 12, 13, 18
динамические свойства 199, 200,
250 ел., 298 ел.
испытания см. Испытания резины
истирание см. Истирание резины
механические модели 101, 102
морозостойкость 22, 181
остаточная деформация см. Оста
точная деформация резины
прочность 108 ел.
равновесно-упругие свойства 12,
90, 92 ел., 199
релаксационные свойства 11, 12.
98 ел., 250, 251
самопроизвольное сокращение 273
старение 22, 321, 332, 358 ел.
стеклование 440, 441
стойкость к набуханию 126
температура стекловани; 2Ь 'її,
261, 442, 438 ел., 455 с :.
— хрупкости 446 ел
температуростойкость 181
трение 474 ел., 504 ел.
упруго-релаксационные свойства
191 ел.
усталостно-прочностные свойства
304, 321 ел.
эластические свойства 451 ел.
522
Предметный указатель
Резиновые смеси
«безусадочные» 54, 76
вулканизуемость 36, 37, 68 ел.
вязкость 58, 69, 70
деформируемость 39 ел.
дублирование 38, 39, 41
клейкость 37 ел., 79 ел.
оптимум вулканизации 37
пласто-эластические свойства 14
подвулканизация 48
релаксация напряжений 12
экспресс-контроль 74 ел.
Резиноподобное состояние 11
Резонанс системы 277, 278
Резонансные вибраторы 294 ел.
Рекса твердомер 240
Релаксационная природа высокоэла-
стичности 31, 32
Релаксационные свойства каучука и
резины 11, 12, 98 ел.
Релаксация напряжений 11
время (период) 30, 31, 33, 34,
102 ел., 258, 259
и межмолекулярное
взаимодействие 12
и наполнители 108
испытания 206 ел.
и температура 12, 34
скорость 209
уравнение 33
физическая 99 ел., 206, 257 ел.
химическая 99 ел., 206, 209, 218
Релаксометры
ВНИИСК 217, 218
наклонный 218, 219
поплавковый 219, 220
растяжения 220, 221
сжатия 208
с тележкой 418, 419
Релига и Фроманди машина 352
Релига машина 301 ел., 349
«Роллер-флекс» 399, 400
Росса флексинг-машина 366, 367
Ротаторы 310
Рычажные пластометры 75
Самопишущие механизмы разрывных
машин 135, 136, 147, 153 ел.
Самослипание 80
Световое старение резины 18, 407,
409, 417 ел.
Свето-озонное старение резины 407,
421 ел.
Свободные колебания
декремент и коэффициент
затухания 275, 276
Свободные колебания
частота 289 ел.
Сдвиг см. также Испытания резины
на сдвиг
модуль 93, 94, 262, 263
скорость 35, 36, 61, 65
фаз, угол 251, 252, 255, 256, 300,
301
Сдвиговые вискозиметры 57 ел.,
67 ел., 509
Сельсины экстензометров 147, 148,
151, 152
Сжатие см. также Испытания
резины на сжатие
степень 205, 208
Сжимающие пластометры 43 ел., 67,
69, 75
Силоизмерители 23, 60, 127, 128
маятниковые 129 ел., 136, 137,
153 ел., 161 ел., 192
торсионные 138, 139
электронные 138, 139, 161, 162,
220, 221
Систематические погрешности
измерений 18
Склероскопы 280
Скорость
выдавливания образцов 69
деформации 11, 30, 65, 67, 103,
121, 122, 124, 155 ел.
распространения волн
звуковых частот 273
упругих 155
расслоения 379
растяжение резины 179
релаксации напряжений 107, 209
сдвига 35, 36, 61, 65,
скольжения 475, 487, 488, 498,
505 ел.
«Скорчинг» 68 ел.
Скотта
пластометр 48
флексинг-машина 398
Случайные погрешности измерений
18
Сопротивление резины
повторности нагружения 327, 334,
335
раздиру 182 ел., 186
растрескиванию 22, 358 ел.
озонному 423 ел.
сдвигу и время испытания 70
Срез, испытание эбонита 126
Стандартизация методов испытаний
25 ел.
Предметный указатель
523
Стандарты выборочный и
генеральный 19, 20
Станки
для подшлифовки резиновых
пластин 171 ел.
сверлильные 169
Старение резины 12, 13, 18, 321, 337,
406 ел.
озонное 407, 423 ел.
световое 18, 407, 409, 417 ел.
свето-озонное 407, 421 ел.
тепловое 407, 411 ел.
Статическая прочность связи резины
с другими материалами
377 ел.
Статические испытания каучука и
резины 16, 90 ел.
Статический модуль резины 292
Ст. Джо флексометр 351, 352
Стеклообразное состояние 440
Стенд СЗПИ 355 ел., 397
Степень
вулканизации резиновой смеси 12,
77, 97, 336
кристаллизации резины 467, 469
пягтпргігиріярііет прчпни 350 СП
24, 431, 432'
сжатия резины 205, 208
эластичности резины 439
Стробоскопическое устройство для
измерения угла сдвига фаз
300, 301
Тарировка
машины МИ-2 493
сдвиговых пластометров 64
Твердомер(ы) 22, 42, 235, 236, 241,
243, 244
для оценки морозостойкости
резины 467, 468
НИИРП 236
портативные 43, 237 ел.
Пузея-Джонса 231 ел.
Рекса 240
Шора 43, 203, 237 ел.
Твердость резины 22, 228 ел.
единицы 233, 234, 241
Температура
и время релаксации 34
и вулканизуемость резиновых
смесей 36, 37
и высокоэластичность резины 439
и долговечность резины 120
и комплексный модуль 439
и коэффициент трения 474, 475
Температура
и межмолекулярное
взаимодействие 12
и морозостойкость резины 446
и напряжение 100
и прочность резины 180, 181
и разрыв резины ПО, 111
и расслоение образцов 380, 381
и релаксация напряжений 12
и старение резины 411 ел.
и упруго-гистерезисные свойства
резины 256, 258 ел.
и усталостная выносливость
резины 330, 331
перехода 438 ел.
приведения 260, 261
стеклования резины 29, 111, 261,
442, 438 ел., 455 ел.
текучести резины 439
хрупкости резины 442, 446 ел.
Температурно-временная
суперпозиция 35, 122
Температуростойкость резины 181,
196
Тензометры 211
Трппыа
вероятностей 18, 20, 21
гистерезисная трения 476, 477
диффузионная склеивания 37, 38
прочности резины 113
растяжения статистическая 94, 95
упруго-гистерезисных свойств 92,
93, 256 ел.
Тепловое старение резины 18, 407,
411 ел.
Теплообразование 252, 278, 324
и наполнители 272
при утомлении 337 ел.
Теплостойкость резины 181
Термокриокамеры 206, 455
Термомехаиические кривые 439, 440,
457, 458
Термостаты 455
для расслоения образцов при
высокой температуре 380. 381
разрывных машин 160 ел., 380, 381
с ячейками для теплового
старения 413, 414
Течение
неньютоновское 32, 57
ньютоновское 29
Тиксотропия эластомеров 12, 32, 69,
270
Торкьюометр 209, 210
Торренса прибор 353
«Торсионная жесткость» 465 ел.
524
Предметный указатель
Торсионные маятники 293, 294, 466,
467
Торсионные силоизмерители 138, 139
Точность методов испытаний 22 ел
Трение резины 474 ел., 504 ел.
Трибометры 504 ел.
Трипсометры 283
Трубки для теплового старения 413,
414
Тэйбора машина 503
Угловые машины для испытания
резины на истирание 500
Угол сдвига фаз (потерь) 251, 252,
255, 256, 300
Ударная упругость 273, 276, 280 ел.
Удельная работа
адгезии 79
деформации 95
Удлинение резины 143 ел., 165, 193,
194, 214
относительное при разрыве 22,
109, 179, 201 ел.
усталостное 323, 335
Узлы передачи деформаций
разрывных машин 150 ел.
Ультратермостат Гепплера 219
Уоллеса автоматический пластометр
75 ел.
Упругая деформация резины 28 ел.,
101
Упругая энергия 95, 96
Упругие элементы разрывных машин
131 ел.
Упруго-вязкое тело, механическая
модель 29 ел.
Упруго-гистерезисные свойства
резины 250 ел., 269 ел., 273 ел.
Упругометры 280 ел.
Упруго-релаксационные свойства
резины 12, 90, 92 ел., 124 ел,
191 ел.
Упругость резины
динамическая 251
модуль 33
«произведение» 126
ударная 273, 276, 280 ел.
Уравнение
деформации модели 102
Максвелла 29, 106
ползучести 103, 105
релаксации 33
Флори 122
Ускоренное старение резины
световое 417 ел.
тепловое 411 ел.
Условно-равновесный модуль
резины 194, 195
Усталостная выносливость резины
322, 326 ел., 330, 331, 333,
337, 338
Усталостная прочность резины 25,
322, 335, 337
Усталостная энергия разрыва резины
323
и наполнители 335
Усталостное истирание резины 480,
483, 484
Усталостное разрушение и влияние
состава резины 331 ел.
Усталостное сопротивление разрыву
резины 322, 323
Установки для испытаний резины
на ползучесть 212 ел.
на старение 416, 427, 428
на Т-50 и ТР показатели 453, 454
Утомление резины 304 ел., 321
Ушервуда пластометр 48
Фазометры 280
Физическая релаксация 99 ел., 206,
257 ел.
Филиппова машина 305
Фимана машина 504
Фитцжеральда и Ферри прибор 307,
308'
Флексинг-машины 366, 367, 398
Флексометры 347 ел., 351, 352, 395,
398
Флетчера маятник 293
Флори уравнение 122
Форда машина 309, 310
Фоулка и Баудена метод
электрометрического титрования
433, 434
Фроманди прибор 158
Фрумкина и Дубинкера пластометры
42, 43, 74
Функции распределения времен
релаксации 34, 258
Характеристическая анергия раздира
резин 115 сл„ 188, 189, 373
Хаувинка пластометр 48
Химическая релаксация 99 ел., 206,
209, 218
Хольта, Коха и Рота прибор 193, 194
Хромова и Зверева клейкометр 83, 84
Хрупкий разрыв 442
Цыдзика машина 303 ел., 349 ел.
Предметный указатель
525
Частота
деформации (гармонического на-
гружения) 251, 259, 322
и затухание свободных колебаний
273, 275, 289 ел.
приведения 259 ел.
Чебышева неравенство 21
Чувствительность методов испытания
резины 16, 21, 41, 65
Шаубери кюрометр 72, 73
Шоппера вибратор 339
Шильдкнехта машина 496
Шкаф для старения резины 408
Шлифовка образцов 171 ел.
Шмидера и Вольфа торсионный
маятник 466
Шоба маятниковый копер 281
Шора
единицы твердости 233, 234, 240
твердомер 43, 203, 237 ел., 467
эластометр 203, 281
Шпрингера машина 353, 354
Шприцмашины 56
Штамп для нанесения меток на
образцы 173
Штанцевые ножи для вырубки
образцов 168, 169, 175 ел.
Шугая приспособление для
определения температуры
хрупкости резины 448, 449
Эккера машина 303
Экспресс-контроль сырых резиновых
смесей 74 ел.
Экстензометры 145 ел.
Эластические свойства резин 451 ел.
Эластическое восстановление резины
40, 41, 44, 51, 60, 61, 65, 68
Эластично-вязкое тело, механическая
модель 30
Эластичность резины по отскоку
273, 276, 280 ел., 455
Эластомеры 11
Эластометры 281
маятниковый КС 286, 287
Шора 203
Электронные силоизмерители 23, 60,
131 сл„ 155, 161, 162,220, 221
Энергия
яктивации релаксации 107
когезионная 123
разрыва резины 116, 117, 323, 335
упругая 95, 96
характеристическая раздира
резины 115 ел., 188, 189, 373
Эффект(ы)
г\a..lei гідрuQjjiп і (
«краевые» 66, 279
«пристенный» 53, 57
Юнга модуль 93, 94. 155, 228, 234
254, 265, 460, 462
Ячеистый термостат 413, 414
ИЗДАТЕЛЬСТВО „ХИМИЯ"
ГОТОВЯТСЯ К ПЕЧАТИ В 1965 г.
КРЮЧКОВ А. П. Общая технология
синтетических каучуков. Изд. 3-е, пер. и доп. Изд-во «Химия»,
35 л., 8000 экз., цена 1 р. 08 к. в пер. (III кв.).
В книге в доступной форме изложены общие сведения о
современных промышленных методах получения
синтетических каучуков и латексов. Описаны основные виды сырья,
важнейшие процессы получения мономеров, синтеза и
выделения полимеров. Приведены принципиальные
технологические схемы ряда производственных процессов и дана
характеристика наиболее важной аппаратуры. Указаны
технические свойства и области применения различных видов
каучуков и латексов. Кратко рассмотрены некоторые вопросы
контроля производства, более подробно освещены вопросы
техники безопасности. Значительное внимание уделено
основным направлениям современного развития промышленности
синтетического каучука — широкому использованию
нефтехимического сырья и синтезу каучуков регулярного строения.
Книга предназначается в качестве учебника для
профессионально-технических училищ.
РАГУЛИН В. В. Производство пневматических
шин. Изд. 2-е, пер. и доп. Изд-во «Химия», 35 л.,
8 000 экз., цена 1 р. 08 к. в пер. (III кв.).
В книге рассматриваются технологические процессы и
оборудование производства пневматических шин (автомобильные,
дорожностроительные, для сельскохозяйственных машин,
мотоциклов и велосипедов). Приводятся данные о назначении,
свойствах и применении сырья, материалов и
полуфабрикатов, используемых в шинном производстве. Дается краткое
описание машин, аппаратов и контрольно-измерительных
приборов. Излагаются правила по технике безопасности и
противопожарные мероприятия.
Книга предназначается в качестве учебного пособия для
рабочих и мастеров шинной промышленности, занимающихся
на курсах производственного обучения. Она может быть
полезна также учащимся техникумов, вузов и специалистам
резиновой промышленности.
ОПЕЧАТКИ
Стр.
51
121
121
166
166
166
176
182
183
221
243
261
275
331
341
369
379
385
Строка
8 сверху
12 сверху
13 сверху
14 снизу
8 снизу
7 снизу
18 снизу
11 сверху
20 сверху
18 снизу
6 сверху
22 сверху
10 сверху
Табл. 8,
5 и 9 столбец
7 сверху
13 сверху
2 сверху
16 снизу
Напечатано
большой
Vjt — В
Vjtp = Ср
lx + Z.0/2 — /2
Ш -10 1
1г = 9 мм
/х — 9,0 — /2
г~~ 12,5
рис. 81
Пп г- 1 1Г \
1 't, -U ! »1I
( kT )
прочность
(см. рис. 236)
Индентор
'1 Т0
b
хаг Ъп
N /N
% 1
18
на рис. 178
ы = Зр
1000 мм/мин
Должно быть
большей
t.e< = o
аоСр = ор
/ж — /• .
f /о /
/ О И4 1«
о — лги*
/х- /-2
12,5 '
рис. 79
/1« » L;r і
j 'Ь -II 1 ~ U \
\ 2,3kT j
точность
(см. рис. 237)
Индикатор
aTi = "\!^п
_ ы
Хф 2т
% Х
8
на рис. 176
рср/
100 мм/мин
Зак. 2406