Как определить деформацию резины
Иногда можно наблюдать то, как автомобильная покрышка приобрела неестественную для себя форму окружности. Почему это происходит и чем чревато для колеса потеря исходной формы?
Как это выглядит?
Зрелище не очень приятное..и требует срочного принятия мер
Как правило, деформированная покрышка имеет выраженные продавленные зоны на поверхности. Таким образом, колесо становится «квадратным» и несимметричным. Подобное явление часто встречается на низкопрофильных шинах с низкой высотой боковин и относительно слабым кордом, но и «бюджетные» колеса до R15 также не застрахованы от деформации.
Почему это происходит?
Существует несколько основных причин.
При смене сезонных шин, многие игнорируют довольно простые правила консервации резины, в том числе и правильное их расположение. Специалисты советуют складывать покрышки без диска горизонтально, друг на друга. Тогда как колесо в сборе (с диском) нужно ставить вертикально, рядом друг с другом. При это, раз в месяц обязательна перемена положения колес. Если игнорировать эти рекомендации, то на покрышке могут появиться продавленные участки. ( как правильно хранить шины? )
Колесо также способно изменять свою форму под воздействием продолжительного нахождения автомобиля в статическом положении. На покрышки влияет множество факторов, основные из которых − вес машины и температура воздуха. Большая масса продавливает резину, а горячий воздух ее размягчает. Поэтому, оставив свой автомобиль на улице на продолжительную стоянку (более полумесяца), не стоит удивляться в появлении деформации на шинах.
При низком давлении воздуха в колесе, увеличивается пятно контакта с дорогой, в следствие чего возрастает нагрузка на резину, особенно на ее центральную часть. Также, шина становится более мягкой и в поворотах ее боковина сильно гнется. В результате этого, при частой езде с приспущенными колесами, можно обнаружить на них продавленную центральную часть и стирание боковой части ( оптимальное давление в шинах )
Как избежать деформации покрышки?
Чтобы сохранить исходный вид покрышки необходимо следовать простым рекомендациям:
Физико-механические свойства каучуков и резин могут быть охарактеризованы комплексом свойств. К особенностям физико-механических свойств каучуков и резин следует отнести:
1) высокоэластический характер деформации каучуков;
2) зависимость деформаций от их скорости и продолжительности действия деформирующего усилия, что проявляется в релаксационных процессах и гистерезисных явлениях
3) зависимость механических свойств каучуков от их предварительной обработки, температуры и воздействия различных немеханических факторов (света, озона, тепла и др.).
Различают деформационно-прочностные, фрикционные и другие специфические свойства каучуков и резин.
Деформационно-прочные и фрикционные свойства резин
К основным деформационно-прочностным свойствам относятся: пластические и эластические свойства, прочность при растяжении, относительное удлинение при разрыве, остаточное удлинение после разрыва, условные напряжения при заданном удлинении, условно-равновесный модуль, модуль эластичности, гистерезисные потери, сопротивление раздиру, твердость.
К фрикционным свойствам резин относится износостойкость, характеризующая сопротивление резин разрушению при трении, а также коэффициент трения.
Специфические свойства резины
К специфическим свойствам резин относятся, например, температура хрупкости, морозостойкость, теплостойкость, сопротивление старению.
Очень важным свойством резин является сопротивление старению (сохранение механических свойств) после воздействия света, озона, тепла и других факторов. Механические свойства резин определяют в статических условиях, т. е. при постоянных нагрузках и деформациях, при относительно небольших скоростях нагружения (например, при испытании на разрыв), а также в динамических условиях, например, при многократных деформациях растяжения, сжатия, изгиба или сдвига. При этом особенно часто резины испытывают на усталостную выносливость и теплообразование при сжатии.
Усталостная выносливость характеризуется числом циклов деформаций, которое выдерживает резина до разрушения. Для сокращения продолжительности определения усталостной выносливости испытания проводят иногда в условиях концентрации напряжений, создаваемых путем дозированного прокола или применения образцов с канавкой.
Теплообразование при многократных деформациях сжатия определяется по изменению температуры образца резины в процессе испытания в заданном режиме (при заданном сжатии и заданной частоте деформаций).
Пластичностью называется способность материала легко деформироваться и сохранять форму после снятия деформирующей нагрузки. Иными словами, пластичность -- это способность материала к необратимым деформациям. Эластичностью называется способность материала легко деформироваться и восстанавливать свою первоначальную форму и размеры после снятия деформирующей нагрузки, т.е. способность к значительным обратимым деформациям. Эластическими деформациями, в отличие от упругих, называются такие обратимые деформации, которые характеризуются значительной величиной при относительно малых деформирующих усилиях (низкое значение модуля упругости). Пластические и эластические свойства каучука проявляются одновременно; в зависимости от предшествующей обработки каучука каждое из них проявляется в большей или меньшей степени. Пластичность невулканизованного каучука постепенно снижается при вулканизации, а эластичность возрастает. В зависимости от степени вулканизации соотношение этих свойств каучука постепенно изменяется. Для невулканизованных каучуков более характерным свойством является пластичность, а вулканизованные каучуки отличаются высокой эластичностью. Но при деформациях невулканизованного каучука наблюдается также частичное восстановление первоначальных размеров и формы, т. е. наблюдается некоторая эластичность, а при деформациях резины можно наблюдать некоторые неисчезающие остаточные деформации.
Согласно теории, разработанной советскими учеными А. П. Александровым и Ю. С. Лазуркиным, общая деформация каучука и резины состоит из трех составляющих:
1) упругой деформации, подчиняющейся закону Гука, у;
2) высокоэластической деформации в и
3) пластической деформации п: = у + в + п
Соотношение составляющих общей деформации зависит от природы каучука, его структуры, степени вулканизации, состава резины, а также от скорости деформаций, значений создаваемых напряжений и деформаций, длительности нагружения и от температуры. Упругая деформация практически устанавливается мгновенно при приложении деформирующего усилия и также мгновенно исчезает после снятия нагрузки; обычно она составляет доли процента от общей деформации. Этот вид деформации обусловлен небольшим смещением атомов, изменением межатомных и межмолекулярных расстояний и небольшим изменением валентных углов.
Высокоэластическая деформация резин увеличивается во времени по мере действия деформирующей силы и достигает постепенно некоторого предельного (условно-равновесного) значения. Она так же, как и упругая деформация, обратима; при снятии нагрузки высокоэластическая деформация постепенно уменьшается, что приводит к эластическому восстановлению деформированного образца. Высокоэластическая деформация, в отличие от упругой, характеризуется меньшей скоростью, так как связана с конформационными изменениями макромолекул каучука под действием внешней силы. При этом происходит частичное распрямление и ориентация макромолекул в направлении растяжения. Эти изменения не сопровождаются существенными нарушениями межатомных и межмолекулярных расстояний и происходят легко при небольших усилиях. После прекращения действия деформирующей силы вследствие теплового движения происходит дезориентация молекул и восстановление размеров образца.
Специфическая особенность механических свойств каучуков и резин связана с высокоэластической деформацией. Пластическая деформация непрерывно возрастает при нагружении и полностью сохраняется при снятии нагрузки. Она характерна для невулканизованного каучука и резиновых смесей и связана с необратимым перемещением макромолекул друг относительно друга.
Скольжение молекул у вулканизованного каучука сильно затруднено наличием прочных связей между молекулами, и поэтому вулканизаты, не содержащие наполнители, почти полностью восстанавливаются после прекращения действия внешней силы. Наблюдаемые при испытании наполненных резин неисчезающие деформации являются следствием нарушения межмолекулярных связей, а также следствием нарушения связей между каучуком и компонентами, введенными в нею, например, вследствие отрыва частиц ингредиентов от каучука. Неисчезающие остаточные деформации часто являются кажущимися вследствие малой скорости эластического восстановления, т. е. оказываются практически исчезающими в течение некоторого достаточно продолжительного времени.
Твердость резины характеризуется сопротивлением вдавливанию в резину металлической иглы или шарика (индентора) под действием усилия сжатой пружины или под действием груза. Для определения твердости резины применяются различные твердомеры. Часто для определения твердости резины используется твердомер ТМ-2 (типа Шора), который имеет притупленную иглу, связанную с пружиной, находящейся внутри прибора. Твердость определяется глубиной вдавливания иглы в образец под действием сжатой пружины при соприкосновении плоскости основания прибора с поверхностью образца (ГОСТ 263-75). Вдавливание иглы вызывает пропорциональное перемещение стрелки по шкале прибора. Максимальная твердость, соответствующая твердости стекла или металла, равна 100 условным единицам. Резина в зависимости от состава и степени вулканизации имеет твердость в пределах от 40 до 90 условных единиц. С увеличением содержания наполнителей и увеличением продолжительности вулканизации твердость повышается; мягчители (масла) снижают твердость резины.
Теплостойкость. О стабильности механических свойств резины при повышенных температурах судят по показателю ее теплостойкости. Испытания на теплостойкость производят при повышенной температуре (70°С и выше) после прогрева образцов при температуре испытания в течение не более 15 мин (во избежание необратимых изменений) с последующим сопоставлением полученных результатов с результатами испытаний при нормальных условиях (23±2°С). Количественной характеристикой теплостойкости эластомеров служит коэффициент теплостойкости, равный отношению значений прочности при растяжении, относительного удлинения при разрыве и других показателей, определенных при повышенной температуре, к соответствующим показателям, определенным при нормальных условиях. Чем ниже показатели при повышенной температуре по сравнению с показателями при нормальных условиях, тем ниже коэффициент теплостойкости. Полярные каучуки обладают пониженной теплостойкостью.
Наполнители значительно повышают теплостойкость резин.
Износостойкость. Основным показателем износостойкости является истираемость и сопротивление истиранию, которые определяются в условиях качения с проскальзыванием (ГОСТ 12251-77 «Резина. Метод определения сопротивления истиранию при качении с проскальзыванием») или в условиях скольжения по истирающей поверхности, обычно, как и в предыдущем случае, по шлифовальной шкурке (ГОСТ 426-77 «Резина. Метод определения сопротивления истиранию при скольжении»). Истираемость определяется как отношение уменьшения объема образца при истирании к работе, затраченной на истирание, и выражается в м3/МДж [см3/(кВтч)]. Сопротивление истиранию определяется как отношение затраченной работы на истирание к уменьшению объема образца при истирании и выражается в МДж/м3 [см3/(кВтч)]. Истирание кольцевых образцов при качении с проскальзыванием более соответствует условиям износа протекторов шин при эксплуатации и поэтому применяется при испытании на износостойкость протекторных резин.
Теплообразование при многократном сжатии. Теплообразование резины при многократном сжатии цилиндрических образцов характеризуется температурой, развивающейся в образце вследствие внутреннего трения (или повышением температуры при испытании).
Морозостойкость - способность резины сохранять высокоэластические свойства при пониженных температурах. Свойства резин при пониженных температурах характеризуются коэффициентом морозостойкости при растяжении, температурой хрупкости и температурой механического стеклования. Коэффициент морозостойкости при растяжении (ГОСТ 408-78 «Резина. Методы определения морозостойкости при растяжении») представляет собой отношение удлинения образца при пониженной температуре к удлинению его (равному 100%) при температуре 23±2°С под действием той же нагрузки. Резина считается морозостойкой при данной температуре, если коэффициент морозостойкости выше 0,1.
Температура хрупкости. Тхр--максимальная минусовая температура, при которой консольно закрепленный образец резины разрушается или дает трещину при изгибе под действием ударе (ГОСТ 7912-74 «Резина. Метод определения температурного предела хрупкости»). Температура хрупкости резин зависит от полярности и гибкости макромолекул, с повышением гибкости молекулярных цепей она понижается.
Температурой механического стеклования называется температура, при которой каучук или резина теряют способность к высокоэластическим деформациям. По ГОСТ 12254- 66 этот показатель определяется на образцах, замороженных при температуре ниже температуры стеклования. Образец резины цилиндрической формы нагружают (после предварительного замораживания) и затем медленно размораживают со скоростью 1°С в минуту и находят температуру, при которой деформация образца начинает резко возрастать.
Сопротивление старению и действию агрессивных сред. Старением называется необратимое изменение свойств каучука или резины под действием тепла, света, кислорода, воздуха, озона или агрессивных сред, т. е. преимущественно немеханических факторов. Старение активируется, если резина одновременно подвергается воздействию механических нагрузок. Испытания на старение производят, выдерживая резину в различных условиях (на открытом воздухе, в кислороде или воздух при повышенной температуре; в среде озона или при воздействии света и озона). При атмосферном старении на открытом воздухе или термическом старении в среде горячего воздуха (ГОСТ 9.024-74 «Единая система защиты от коррозии и старения. Резины. Методы испытаний на стойкость к термическому старению») результат испытания оценивают коэффициентом старения, который представляет отношение изменения показателей каких-либо свойств, чаще всего предела прочности и относительного удлинения при разрыве к соответствующим показателям до старения. Чем меньше изменения свойств при старении и коэффициент старения, тем выше сопротивление резины старению.
Сопротивление действию различных сред (масел, щелочей, кислот и др.) оценивается по изменению свойств - предела прочности при растяжении и относительного удлинения при разрыве в этих средах. Оно характеризуется коэффициентом, представляющим отношение показателя после воздействия агрессивной среды к соответствующему показателю до ее воздействия.
Долговечность резин в условиях статической деформации. Прочность любого твердого тела понижается с увеличением продолжительности действия напряжения и поэтому разрушающая нагрузка не является константой твердого тела. Разрушающая нагрузка - условная мера прочности только при строго определенных скорости деформации и температуре. Снижение прочности материала, находящегося в статически напряженном состоянии, называется статической усталостью. Продолжительность пребывания тела в напряженном состоянии от момента нагружения до разрушения называется долговечностью материала под нагрузкой.
При температурах ниже ТХР полимеры ведут себя подобно хрупким твердым телам и температурно-временная зависимость прочности выражается уравнением Журкова:
= o exp (( uo - ) / kT)
Где o - константа, имеющая размерность времени и значение, близкое к периоду собственных колебаний атомов, 10-13 -10-12 с;
k - константа Больцмана;
uo - энергия активации процесса разрушения в исходном, ненагруженном состоянии, равная энергии активации процесса в расчете на 1химическую связь;
При температуре выше Tc полимеры переходят в высокоэластическое состояние, при котором температурно-временная зависимость прочности описывается для сшитых полимеров уравнением:
= C b -6 exp ( u / kT)
Где C и b - константы, зависящие от типа каучука, структуры вулканизата;
u - энергия активации разрушения резин в расчете на 1 связь.
Изменения материала, происходящие под действием напряжения во времени, являются необратимыми. Резиновые изделия находятся под воздействием среды. Особенно опасно воздействие озона. Растрескивание, которое наблюдается у напряженных резин, находящихся под воздействием озона, называется озонным растрескиванием. Действие агрессивных сред на резину в напряженном состоянии называют коррозионным растрескыванием.
Долговечность резины в условиях динамических деформаций. Снижение прочности материала вследствие многократных деформаций называется динамической усталостью или утомлением. Сопротивление резин утомлению или динамическая выносливость выражается числом циклов деформации, необходимым для разрушения образца. Максимальное напряжение в цикле деформации, соответствующее разрушению образца в условиях многократных деформаций, называется усталостной прочностью, а время, необходимое для разрушения резины в условиях многократных деформаций, - динамической долговечностью.
Наиболее распространенным режимом испытаний на многократное растяжение является режим постоянных максимальных удлинений, который осуществляется на машине МРС-2. Это испытание проводится при постоянной амплитуде и заданной частоте (250 и 500 цикл/мин), а также при постоянном максимальном и среднем значениях деформации.
Влияние структуры и состава резин на ее долговечность. Как правило, резина имеет высокую усталостную выносливость, если она обладает высокой прочностью, малым внутренним трением и высокой химической стойкостью.
Влияние структуры или состава резины на эти свойства различно. Влияние типа каучука, характера вулканизационной сетки наполнителей, пластификаторов, антиоксидантов также неоднозначно. Методы испытания долговечности выбираются с учетом реальных условий эксплуатации резины, видов и условий деформаций, имеющих решающее значение.
Как известно, в сопротивлении материалов рассматриваются четыре основных типа деформации:
а) растяжение или сжатие,
Эти четыре вида так называемых простых деформаций охватывают все случаи изменений размеров и формы элементов машин и конструкций, которые они претерпевают под действием внешних сил. Однако разные материалы по-разному оказывают сопротивление тому или иному виду деформации, по-разному изменяют свою форму под влиянием приложенных нагрузок.
Более или менее одинаковую сопротивляемость всем основным видам деформации оказывают детали, изготовленные из стали. Детали из чугуна хорошо сопротивляются деформации сжатия, но слабо выдерживают кручение и срез и очень плохо сопротивляются изгибу. В противоположность этому элементы конструкций и детали из дерева хорошо работают на изгиб, но плохо воспринимают деформацию сжатия и т. д.
Резина как конструкционный материал применяется для изготовления деталей машин, работающих главным образом на деформацию сжатия и сдвига. Резина хорошо воспринимает и другие виды деформаций, проявляя при этом весьма ценные конструкционные свойства. Так, для деформации растяжения резины характерны большие удлинения, достигающие 500% и более. Однако трудности прочного и надежного соединения резиновых элементов, работающих на растяжение с другими деталями машин, очень ограничивают их применение.
При работе на изгиб резиновые детали отличаются высокой эластичностью и практически не могут нести или передавать нагрузку. Аналогичные причины ограничивают применение резиновых деталей, работающих на кручение. Резина практически не может сопротивляться срезу. Во всех перечисленных случаях ограниченного применения резины детали из нее предназначаются не для восприятия и передачи силовых нагрузок,— они выполняют роль эластичных кинематических связей.
Деформируемость резины под действием приложенных нагрузок и ее механические свойства характеризуются определенными законами и аналитическими зависимостями, знание которых необходимо для правильного применения резины в качестве конструкционного материала деталей машин.
Модуль упругости и модуль сдвига. Одним из основных параметров, лежащих в основе как статических, так и динамических расчетов резиновых деталей, является модуль упругости. В отличие от таких конструкционных материалов, как сталь, цветные металлы, дерево и т. д., для которых модуль упругости почти не изменяется, для резины модуль упругости не является постоянной величиной. Так, при растяжении !00% среднее значение модуля упругости различных резин изменяется в 10—15 раз и обычно лежит в пределах 0,5—7,5 Мн/м2.
Функциональная зависимость между напряжением в материале а и его относительной деформацией е, выражаемая законом Гука> предполагает линейную зависимость а. Однако для целого ряда материалов, в том числе и для многих металлов, вообще не существует линейной зависимости между напряжением и деформацией.
В тех же случаях, когда такая зависимость имеет место, как, например, у стали, границы применения закона Гука находятся значительно ниже предельной деформации, соответствующей разрушению материала. Практическое применение закона Гука ограничивается поэтому наперед заданным пределом пропорциональности, имеющим собственное значение для того или иного материала и очерчивающим границы зависимости а(е), в пределах которых она с известным допущением может считаться линейной.
Таким образом, резина как конструкционный материал является типичным представителем той группы материалов, на которые распространяются указанные выше несоответствия закону Гука. Объясняется это высокоэластическим характером деформации резины, параллельным сосуществованием у резины упругих и пластических свойств, а также тем, что область пластических деформаций не отделена у резины так резко от области упругих деформаций, как это имеет место у металлов.
Из изложенного следует, что резину как материал, не отвечающий известному положению Гука, нельзя охарактеризовать одним постоянным значением продольного модуля упругосгч рассчитываемым по напряжению а. Вследствие нелинейной зависимости между напряжением и относительной деформацией е модуль упругости резины можно определить лишь в дифференциальной форме.
Применяемый иногда в практике местный модуль, определяемый как частное от деления напряжения на относительное удлинение, не дает оценки резины как материала, так как он лишь характеризует ее на каждой отдельной стадии деформации. Точно так же несостоятельна применяемая в лабораторной практике оценка свойств резины по напряжению, отвечающему растяжению на 100, 300 и 500% против начальной длины образца. Эти модули не являются константами материала, а представляют собой лишь ординаты некоторых промежуточных точек кривой а(е). Их применение может быть оправдано лишь в качестве сравнительных параметров резин различных марок.
Ярко выраженные релаксационные свойства резины делают необходимым при описании ее механических свойств пользоваться характеристиками двух типов: равновесными, имеющими место при установившемся, стационарном состоянии, и кинетическими, относящимися к действию релаксационных процессов.
При равновесных режимах за время деформирования резины в ней успевают пройти основные релаксационные явления. Кинетические режимы деформирования, в свою очередь, могут быть равновременными и равноскоростными.
Если независимо от величины деформации время действия силы одинаково, то режим называют равновременным. Такой режим встречается в работе прокладок, уплотнений и аналогичных деталей. Если постоянной остается скорость деформации, то режим называют равноскоростным. Равпоскоростной режим широко применяется в стандартных испытаниях резины и в исследовательской работе.
Под молекулярная цепь понимается отрезок цепной макромолекулы между двумя соседними узлами пространственной сетки. Концы макромолекул в пространственной сетке и разорванные цепи, как не участвующие в создании напряжения в резине, не входят в число N.
Понятие о величине £оо, введенное Куном, Марком и Гутом, в дальнейшем было развито Г. М. Бартеневым, показавшим, что пропорциональность между истинным напряжением и деформацией в ненаполненной резине из некристаллизирующегося каучука соблюдается до 200—300% растяжения.
Как показано Г. М. Бартеневым и другими исследователями, кривая релаксации напряжения в резине состоит из двух участков (рис. 9): нелинейного, соответствующего релаксации молекулярных цепей, и линейного или приближенно линейного, соответствующего процессам деструкции узлов и цепей пространственной сетки вулканизата. Скорость релаксации растет с температурой, и поэтому равновесное состояние достигаетсяРавновесный режим имеет большое теоретическое и методическое значение, а равновесный модуль упругости является основной характеристикой резины как материала.
Как показано Г. М. Бартеневым и другими исследователями, кривая релаксации напряжения в резине состоит из двух участков: нелинейного, соответствующего релаксации молекулярных цепей, и линейного или приближенно линейного, соответствующего процессам деструкции узлов и цепей пространственной сетки вулканизата. Скорость релаксации растет с температурой, и поэтому равновесное состояние достигается скорее при повышенных, чем при умеренных температурах. Однако повышение температуры ускоряет также химические процессы в резине, чего следует избегать. Таким образом, ускорение релаксации за счет повышения температуры ограничивается степенью химической устойчивости резины. В большинстве случаев для достижения равновесия следует пользоваться температурами, не превышающими 70° С.
В соответствии с указанным влиянием температуры на процесс релаксации наклон линейного участка кривой релаксации тем меньше, чем ниже температура и чем лучше защищена резина от действия кислорода и других агентов, вызывающих деструктивные процессы. В случае малой скорости этих
процессов (при температурах ниже 70° С) деструкция цепей и узлов в резине происходит крайне медленно и линейный участок кривой релаксации практически располагается параллельно оси времени.
Напряжение а, отнесенное к исходной структуре образца, испытываемого на релаксацию, определяется путем экстраполяции линейной зависимости на ось напряжений и называется истинно равновесным, если линейный участок параллелен оси времени и условно равновесным, если линейный участок наклонен к оси времени. По определяемым таким образом равновесным напряжениям рассчитываются соответствующие равновесные модули: истинно равновесный и условно равновесный. Время, необходимое для выхода на линейный участок кривой релаксации, зависит только от температуры, а наклон линейного участка — от температуры, влияния окружающей среды, наличия в резиновой смеси противостарителей и других факторов.
Резюмируя изложенное, можно сказать, что равновесная деформация и равновесный модуль являются важнейшими инвариантными показателями резины как материала, отличающимися большой чувствительностью к изменениям структуры высокопо-лимера. Равновесная деформация является частным случаем статической, соответствующей полной релаксации молекулярных цепей и структуры наполнителя в случае наполненных резин.
Непосредственно как параметр, характеризующий деформацию резины, равновесный модуль может использоваться, естественно, лишь тогда, когда скорость деформации не превосходит или близка к скорости протекания релаксационных процессов. С увеличением скорости деформирования резины фактический модуль упругости возрастает в сравнении с равновесным и имеет вполне определенное значение, соответствующее каждой заданной скорости деформации.
Учитывая, что в практических условиях работа многих резиновых деталей присходит при скоростях деформации, значительно превосходящих скорости релаксационных процессов, большое значение имеет установление зависимости, согласно которой динамический модуль упругости резины Ед, соответствующий заданной скорости деформации, определялся бы как произведение некоторого статического (или равновесного) модуля Ес и параметра учитывающего влияние скорости деформации на модуль упругости данного типа резины. Параметра в общем случае должен представлять собой сложную зависимость, учитывающую режим деформации, вид каучука и ингредиентов резиновой смеси, режим вулканизации и другие факторы, трудно поддающиеся теоретическому анализу. Поэтому наиболее прямым и достоверным путем его установления является эксперимент.
Вместе с тем до настоящего времени практически отсутствуют данные о параметре k, позволяющие с достаточной для практики точностью определять динамический модуль упругости. В литературе приводятся лишь отдельные результаты его экспериментального определения, относящиеся к одной или двум скоростям деформации некоторых марок резин.
Существенным недостатком имеющихся в литературе сведений об отношении динамического модуля к статическому является отсутствие полных данных о величине скорости деформаций, при которых определялась величина динамического модуля.
Плотность — это отношение веса (или массы) к объему при определенной температуре. Это свойство определяет массу (вес) данной резиновой смеси, требуемой для заполнения полости формы. Смеси с большей плотностью требуют большего веса материала для заполнения полости формы данного размера. Поскольку сырье обычно закупается на единицу веса, а формованные резиновые изделия получаются в формах с фиксированным объемом, знание плотности смеси является очень важным при подсчете стоимости изделия. Обычно, увеличение загрузок наполнителей, например, технического углерода, белой сажи или каолина, приводит к увеличению плотности смеси. Многократное увеличение концентрации наполнителя уменьшает цену изделия. Кроме того, измерение плотности смеси — это эффективное качественное испытание для определения отклонений от рецептуры резиновой смеси, которые, наряду с другими причинами, могут быть вызваны изменениями в навесках ингредиентов и их смешения.
Плотность образца вулканизованной резиновой смеси может быть измерена и подсчитана по принципу Архимеда, в соответствии с которым образец взвешивается в воде и на воздухе. ISO 2781 дает детальное описание методики расчета плотности вулканизованного образца. Дополнительно в стандарте оговорены особые случаи. Например, если свулканизованная трубка или кабельная изоляция испытываются с захваченным воздухом, то это может привести к неверным результатам. Чтобы избежать этого, в ISO 2781 по методу Б рекомендуется разрезать образец на маленькие кусочки и проводить испытание на пикнометре с использованием аналитических весов.
Определение твердости — это простое, недорогое и быстрое испытание, которое используется повсеместно в резиновой промышленности. Твердость определяется по сопротивлению резины деформации под действием силы, приложенной к твердому индентору. Это приводит к измерению «модуля» резины при очень малой деформации. Если сила прикладывается к индентору с постоянной нагрузкой, то этот метод называется Международной твердостью в единицах МГТР (Международные градусы твердости резины), который описан в ASTM D1415 или ISO 48. В этом испытании обычно используется полусферический индентор.
Если сила прикладывается к индентору через пружину, то это метод измерения твердости на дюрометре (обычно маленький карманный прибор), описанный в ASTM D2240 и ISO 7619. В этом методе используется шкала Шор А, которая схожа, но не идентична шкале МГТР, и шкала Шор Д, которая используется для испытания вулканизатов с большой твердостью. В этих методах также используются и другие шкалы. Общепринятого перехода от значений по шкале Шор А к значениям шкалы Шор Д не существует, а есть только грубое приближение. Кроме того, тип индентора по Шору (усеченный конус) отличается по геометрии от индентора МГТР (полусфера). Твердость по Шору является более распространенным методом, поскольку помещающийся в руке дюрометр является транспортабельным, и может быть использован как в лаборатории, так и на заводе.
Испытания на твердость являются отчасти грубыми измерениями и могут проводиться только при очень ограниченных деформациях, что может не соответствовать эксплуатации изделия. Кроме того, данные, полученные в результате этих испытаний, могут иметь большой разброс. Плохая воспроизводимость результатов обусловлена неравномерностью толщины образца, различиями во времени пребывания индентора в образце, тем, как прибор был установлен и применен, влиянием краев образца (когда испытание проводится слишком близко к краю образца), или, например, различиями в геометрии образца. Следовательно, эти испытания на твердость не следует считать реальным измерением конструкторского или технического свойства. Но это быстрый и простой метод определения значительных различий в свойствах резины.
Прочность при растяжении
Измерение прочности при растяжении — это наиболее общепринятое испытание в резиновой промышленности. Его проводят на разрывных машинах, где свулканизованный резиновый образец, имеющий форму двусторонней лопатки для закрепления в зажимах, растягивается с определенной скоростью (обычно 500 мм/мин), и при этом измеряется напряжение. В ASTM D412 и ISO 37 подробно описывается стандартная методика, используемая для определения напряжения при удлинении резины.
Обычно определяются (1) предельная прочность при растяжении, (2) предельное удлинение и (3) напряжения при различных удлинениях. Предельная прочность при растяжении — это максимальное напряжение, при котором образец в виде двухсторонней лопатки разрушается в процессе удлинения. Предельное удлинение — это величина приложенной деформации, при которой происходит разрушение образца. Напряжение при удлинении обычно определяется при различных заданных деформациях (например, 100 и 300%) до разрушения образца.
В отличие от металлов, кривая нагрузка–удлинение для «типичной» резины не имеет (или имеет на очень небольшом участке) линейной области. Следовательно, не практикуется расчет модуля Юнга, который представляет собой угол наклона прямой линии, проведенной тангенциально к кривой и выходящей из ее начала. Вместо этого определятся напряжение при выбранном удлинении. Величины напряжений для различных удлинений неверно называются некоторыми технологами «модуль 100%», «модуль 300%» и т.д. Однако эти величины на самом деле не являются значениями модулей.
На деформационные свойства, например, прочность при растяжении, могут влиять плохое смешение и диспергирование, присутствие примесей, недовулканизация, перевулканизация, пористость и другие факторы. Недиспергированные частицы различных ингредиентов смеси, например, агломераты технического углерода, вызывают концентрацию напряжений в процессе растяжения резиновой лопатки, приводя к преждевременному разрушению при низких напряжениях. Примеси, такие как загрязнения или фрагменты бумаги, также могут вызвать разрушение лопатки при более низком напряжении. Летучие компоненты смеси также могут привести к образованию пор в процессе вулканизации. Эти пустоты также могут снизить прочность при растяжении. И, наконец, резина, изготовленная в лаборатории, обычно имеет более высокую прочность при растяжении, чем производственная резина, поскольку в лабораторных условиях обычно достигается более качественное диспергирование.
Рассмотренные здесь испытания в режиме нагрузка–удлинение касаются предварительно недеформированных образцов. Однако если образец резины в виде лопатки предварительно растянуть, например, более чем на 400% от первоначальной длины, и дальше проводить испытание обычным способом, то это может значительно повлиять на поведение резины в режиме нагрузка–удлинение. Особенно справедливо это для резин, содержащих активные наполнители, такие как технический углерод. Предварительное растяжение образца вызывает «размягчение», которое происходит из-за разрушения агломератов технического углерода. Если предварительно растянутой лопатке дать «отдохнуть», то ее модуль (или напряжение при удлинении), как правило, возрастет. Поскольку многие резиновые изделия подвергаются повторяющимся циклам нагрузка–удлинение, то это явление может повлиять на конечные эксплуатационные характеристики.
Многие резиновые изделия не подвергаются деформации растяжения более чем на 30%. Поэтому прочность при растяжении не всегда является важным показателем для изделия (за исключением резиновых лент). С другой стороны, испытание резины в режиме нагрузка–удлинение является ценным способом оценки ее качества для выявления рецептурных ошибок на производстве, а также полезным при разработке рецептов.
Деформационные свойства при сжатии
Испытание в режиме нагрузка–деформация при сжатии часто в большей степени соответствует реальным условиям эксплуатации изделия, чем испытания при растяжении. Обычно, этот метод испытания включает измерение напряжения, возникающего при сжимающей деформации, приложенной к стандартному вулканизованному резиновому образцу цилиндрической формы, находящемуся между двумя пластинами. Результаты испытания на сжатие зависят от таких факторов, как форма резинового образца, предварительная подготовка, скорость деформации, а также степенью связи или скольжения образца между двумя металлическими пластинами. Большое скольжение в процессе испытания приводит к снижению «цилиндричности» формы. Это снижение сильно влияет на результаты испытания. Стандартные методы для определения свойств в режиме нагрузка–деформация при сжатии описаны в ASTM D575 и ISO 7743, хотя они совершенно разные. В методе ASTM используется абразивная бумага для предотвращения скольжения, в то время как одна часть метода ISO предполагает использование смазки, а другая часть предусматривает, чтобы образцы были прикреплены к параллельным металлическим пластинам. Конечно, различные условия испытания приводят к разным результатам.
Деформационные свойства при сдвиге
Определение свойств в режиме нагрузка–деформация при сдвиге также может быть очень важным при эксплуатации некоторых резиновых изделий. Обычно, большинство резиновых изделий не эксплуатируются при деформациях, превышающих 75%. Результирующая кривая нагрузка-деформация может быть линейной до 100% для «мягких» резин и до 50% для «твердых» резин. Общепринятым методом испытания для определения свойств резин в режиме нагрузка-деформация при сдвиге является ISO 1827.
Ниже приведены термины для определения некоторых динамических свойств, принятых в резиновой промышленности.
· Фазовый угол δ (угол потерь) — это угол, под которым динамическая сила опережает динамическую синусоидальную деформацию.
· Гистерезис — это процесс, происходящий в резине при воздействии циклической деформации, в результате которого происходит потеря механической энергии в виде тепла. Петлей гистерезиса называют замкнутую кривую, образованную кривой зависимости динамической силы от динамической деформации в полном цикле.
· Затуханием называют составную часть комплексной динамической силы, которая на 90° отличается по фазе от деформации.
При описании условий проведения динамических испытаний резины крайне важно указать точную температуру, частоту, амплитуду деформации, тип деформации, предварительную подготовку образца и историю деформирования. На результаты испытания могут повлиять также другие факторы, например, форма испытуемого образца. Обычно, но не всегда, модуль эластичности вулканизатов уменьшается с ростом температуры или уменьшением приложенной частоты. С реологической точки зрения, влияние роста температуры при динамических испытаниях резины обычно эквивалентно уменьшению частоты, и наоборот. Это принцип температурно-временной суперпозиции, который может выполняться для модуля эластичности, модуля потерь, фактора потерь и tg δ в соответствии с уравнением Вильямса (Williams), Ландела (Landel) и Ферри (Ferry) (ВЛФ).
Амплитуда приложенной деформации и цикл деформирования испытуемого образца также очень важны, особенно для вулканизатов, содержащих наполнители, поскольку на взаимодействие наполнитель–наполнитель и наполнитель–полимер влияют приложенные деформации. Модуль эластичности обычно уменьшается с увеличением амплитуды приложенной деформации из-за этих взаимодействий. Это явление известно как эффект Пэйна. Кроме того, на измеряемые динамические свойства большое влияние могут оказывать предшествующий цикл деформации и предварительная подготовка образца.
Имеется большое количество работ Футамура и Гэтти, в которых показано, как по данным динамических свойств шинных резин можно предсказать такие свойства шин, как сопротивление качению, легкость управления, сцепление с сухой, мокрой и заснеженной дорогой. Эти различные свойства шин обычно определяются при различных температурах, частотах и деформациях. Варлей, Новотный, Грегори и другие исследовали преимущества использования значений динамических свойств для прогнозирования эксплуатационных характеристик резиновых автомобильных деталей, например, втулок, подложек, амортизаторов, виброизоляторов, насадок, изоляции и приводных ремней. Расчет способности передачи вынужденных колебаний резиновой деталью (отношение переданной силы к приложенной силе) рассмотрен Варлей и Новотным.
Определенные ингредиенты смеси сильно влияют на динамические свойства вулканизатов. Например, эластомеры с более высокой температурой стеклования (Тс) могут быть причиной большого гистерезиса резин на их основе. Добавление определенных пластификаторов в резиновую смесь может снизить Тс и повлиять на динамические свойства резины, уменьшив гистерезис. Тип и концентрация пластификатора являются важными факторами, определяющими динамические свойства вулканизатов. Удельный вес и количество вводимого в смесь технического углерода также сильно влияют на динамические характеристики. На динамические свойства резины могут повлиять тип поперечных связей и плотность сшивания.
Рассмотренные здесь динамические свойства обычно исследуются с помощью методов вынужденных колебаний с контролем амплитуды деформации. Метод определения динамических свойств с помощью вынужденной синусоидальной сдвиговой деформации подробно описан в ISO 4664. Изучить динамическое поведение резин можно также методами эластичности по отскоку и свободных колебаний. Как правило, если резина должна иметь низкий гистерезис, то она должна иметь и высокую эластичность по отскоку. Определенные методы испытания на эластичность по отскоку рассмотрены в ASTM D1054 (метод определения эластичности по отскоку с помощью маятника Гудьира-Хэли (Goodyear-Healey)), ASTM D2632 (метод падающего груза) и ISO 4662 (в котором описана конструкция прибора с маятниками Лупке (Lupke), Шоба (Schob) и Зербини (Zerbini)). Методы свободных колебаний приведены в ASTM D945 (осциллограф Yerzley) и ISO 4663, который включает три различных метода. Несмотря на то, что методы эластичности по отскоку и свободных колебаний обычно не рекомендуются в качестве технических данных, они проще в исполнении, чем методы вынужденных колебаний.
ГОСТ Р ИСО 815-1-2017
НАЦИОНАЛЬНЫЙ СТАНДАРТ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
РЕЗИНА И ТЕРМОЭЛАСТОПЛАСТЫ
Определение остаточной деформации при сжатии
Испытания при стандартной или повышенной температурах
Vulcanized rubber and thermoplasts. Determination of compression set. Part 1. Tests at standard or elevated temperatures
Дата введения 2019-01-01
Предисловие
1 ПОДГОТОВЛЕН Федеральным государственным унитарным предприятием "Всероссийский научно-исследовательский институт стандартизации материалов и технологий" (ФГУП "ВНИИ СМТ"), Техническим комитетом по стандартизации ТК 160 "Продукция нефтехимического комплекса" на основе собственного перевода на русский язык англоязычной версии международного стандарта, указанного в пункте 4
2 ВНЕСЕН Техническим комитетом по стандартизации ТК 160 "Продукция нефтехимического комплекса"
4 Настоящий стандарт идентичен международному стандарту ИСО 815-1:2014 "Резина вулканизованная или термопластик. Определение остаточной деформации при сжатии. Часть 1. При стандартной или повышенной температурах" (ISO 815-1:2014 "Rubber, vulcanized or thermoplastic - Determination of compression set - Part 1: At ambient or elevated temperatures", IDT).
Доступ к международным и зарубежным документам, упомянутым в тексте, можно получить, обратившись в Службу поддержки пользователей. - Примечание изготовителя базы данных.
Международный стандарт разработан подкомитетом SC 2 "Испытания и анализ" технического комитета по стандартизации ISO/TC 45 "Каучук и резиновые изделия" Международной организации по стандартизации ISO.
Наименование настоящего стандарта изменено относительно наименования указанного международного стандарта для приведения в соответствие с ГОСТ Р 1.5-2012 (пункт 3.5).
При применении настоящего стандарта рекомендуется использовать вместо ссылочных международных стандартов соответствующие им национальные и межгосударственные стандарты, сведения о которых приведены в дополнительном приложении ДА
5 ВВЕДЕН ВПЕРВЫЕ
Правила применения настоящего стандарта установлены в статье 26 Федерального закона от 29 июня 2015 г. N 162-ФЗ "О стандартизации в Российской Федерации". Информация об изменениях к настоящему стандарту публикуется в ежегодном (по состоянию на 1 января текущего года) информационном указателе "Национальные стандарты", а официальный текст изменений и поправок - в ежемесячном информационном указателе "Национальные стандарты". В случае пересмотра (замены) или отмены настоящего стандарта соответствующее уведомление будет опубликовано в ближайшем выпуске ежемесячного информационного указателя "Национальные стандарты". Соответствующая информация, уведомление и тексты размещаются также в информационной системе общего пользования - на официальном сайте Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии в сети Интернет (www.gost.ru)
Предупреждение 1 - Пользователи настоящего стандарта должны быть знакомы с нормальной лабораторной практикой. В настоящем стандарте не предусмотрено рассмотрение всех вопросов обеспечения безопасности, связанных с его применением. Пользователь настоящего стандарта несет ответственность за разработку соответствующих правил по технике безопасности и охране здоровья, а также определяет целесообразность применения законодательных ограничений перед его использованием.
Предупреждение 2 - Некоторые процедуры, указанные в настоящем стандарте, могут включать использование или образование веществ или образование отходов, которые могут представлять опасность для окружающей среды. Следует применять соответствующую документацию по безопасному обращению и утилизации после использования.
1 Область применения
Настоящий стандарт устанавливает методы определения характеристик остаточной деформации при сжатии вулканизированной резины (далее - резины) и термоэластопластов при температуре окружающей среды (один метод) или повышенных температурах (три метода: А, В и С - в зависимости от способа освобождения испытуемого образца в конце испытания).
Методы предназначены для определения способности резин твердостью от 10 до 95 IRHD сохранять упругие свойства при заданных температурах после длительного сжатия при постоянной деформации (как правило, 25%) при одном из указанных альтернативных наборов условий. Для резины номинальной твердостью не менее 80 IRHD используют более низкое значение деформации при сжатии: 15% - для резин номинальной твердостью от 80 до 89 IRHD и 10% - для резин номинальной твердостью от 90 до 95 IRHD.
Примечание 1 - При сжатии резины могут произойти физические или химические изменения, препятствующие возвращению резины к своим первоначальным размерам после снятия деформирующего усилия. В результате образуется остаточная деформация, величина которой зависит от продолжительности и температуры сжатия, а также от продолжительности, температуры и условий восстановления. При повышенных температурах химические изменения становятся более значимыми и приводят к постоянной остаточной деформации.
Примечание 2 - Ускоренные определения остаточной деформации при сжатии в течение короткого времени (как правило, в течение 24 ч) при повышенных температурах обычно используют для оценки степени вулканизации, для классификации материала и спецификации для гарантии качества смеси. Более длительные испытания (как правило, в течение 1000 ч) при повышенных температурах учитывают эффект старения и часто используют для прогнозирования эксплуатационных характеристик материалов, в том числе и уплотнительных материалов. Ускоренные испытания при температуре окружающей среды в основном показывают результат физических изменений (переориентации молекулярных цепей и наполнителей).
2 Нормативные ссылки
В настоящем стандарте использованы нормативные ссылки на следующие международные стандарты:
Таблицу соответствия национальных стандартов международным см. по ссылке. - Примечание изготовителя базы данных.
ISO 188, Rubber, vulcanized or thermoplastic - Accelerated ageing and heat resistance tests (Резина вулканизованная или термопластик. Испытания на ускоренное старение и теплостойкость)
ISO 18899:2004, Rubber - Guide to the calibration of test equipment (Резина. Руководство по калибровке испытательного оборудования)*
* Отменен. Действует ИСО 18899:2013 "Резина. Руководство по калибровке испытательного оборудования" (ISO 18899:2013. "Rubber - Guide to the calibration of test equipment").
ISO 23529:2010, Rubber - General procedures for preparing and conditioning test pieces for physical test methods (Резина. Общие процедуры приготовления и кондиционирования образцов для физических методов испытаний)
3 Сущность метода
Испытуемый образец известной толщины сжимают при стандартной лабораторной температуре до определенной степени деформации, которую затем поддерживают постоянной в течение установленного времени при стандартной лабораторной температуре или при установленной повышенной температуре. Снимают усилие сжатия и после восстановления испытуемого образца при стандартной лабораторной температуре или повышенной температуре в течение определенного периода времени снова измеряют его толщину.
4 Аппаратура
4.1 Устройство для сжатия, состоящее из сжимающих пластин, стальных проставок и зажимного приспособления.
Типовое устройство приведено на рисунке 1.
1 - испытуемый образец; 2 - проставка; 3 - гайка; 4 - верхняя пластина; 5 - нижняя пластина; 6 - часть для зажима в устройстве; 7 - направляющий штифт; 8 - болт
Рисунок 1 - Пример устройства для определения остаточной деформации при сжатии
4.1.1 Две параллельные плоские тщательно отполированные сжимающие пластины из хромированной или нержавеющей стали, между которыми сжимают испытуемый образец.
Пластины должны быть:
- жесткими, чтобы при сжатии испытуемого образца изгиб не превышал 0,01 мм;
- достаточного размера для гарантии того, чтобы весь испытуемый образец, сжатый между пластинами, оставался в пределах площади пластин.
Примечание - Установлено, что шероховатость поверхности Ra не более 0,4 мкм является подходящей (см. стандарт [1]) и достигается шлифованием или полированием.
4.1.2 Стальная(ые) проставка(и) для обеспечения требуемого сжатия
Проставка(и) должна(ы) быть таких размера и формы, чтобы избежать контакта со сжатым образцом.
Высоту проставки(ок) выбирают таким образом, чтобы сжатие испытуемого образца составляло:
- (25±2)% - для образца твердостью не более 80 IRHD;
- (15±2)% - для образца твердостью от 80 до 89 IRHD;
- (10±1)% - для образца твердостью не менее 90 IRHD.
4.1.3 Зажимное приспособление в виде обычного болтового приспособления (см. рисунок 1).
4.2 Термостат, соответствующий требованиям ИСО 188 (метод А или В) и способный поддерживать устройство для сжатия и испытуемые образцы при температуре испытания в пределах допуска, указанного в 7.2.
Примечание - Результаты испытаний при использовании термостата для метода А могут отличаться от результатов, полученных с использованием термостата для метода В.
Время, необходимое для достижения равновесной температуры, зависит от типа термостата и общей теплоемкости устройства для сжатия. Для получения сопоставимых результатов при повышенной температуре испытания и продолжительности испытания 24 ч необходимо достичь равновесной температуры внутри испытуемых образцов в пределах установленных допусков не более чем за 3 ч.
4.3 Щипцы для перемещения испытуемых образцов.
4.4 Толщиномер с точностью измерения до ±0,01 мм (см. ИСО 23529:2010, пункт 7.1), с плоской круглой пяткой диаметром (4,0±0,5) мм и плоской твердой опорной плитой, оказывающий давление (22±5) кПа для резины твердостью не менее 35 IRHD или (10±2) кПа - для резины твердостью не более 35 IRHD.
Примечание - При использовании цифрового прибора для получения требуемой точности необходимо разрешение 0,001 мм.
После испытаний при повышенной температуре иногда наблюдается неожиданная деформация образца. Две плоские поверхности могут быть деформированы, что усложняет измерение толщины. В этом случае для обеспечения точного измерение следует тщательно выбирать диаметр прибора для измерения толщины.
4.5 Устройство для измерения времени восстановления с точностью до ±1 с.
5 Калибровка
Калибруют аппаратуру в соответствии с графиком, приведенным в приложении В.
6 Образцы для испытаний
Используют образцы типа А или типа В:
- тип А: цилиндрический диск диаметром (29,0±0,5) мм, толщиной (12,5±0,5) мм;
- тип В: цилиндрический диск диаметром (13,0±0,5) мм, толщиной (6,3±0,3) мм.
При испытании образцов разных типов не всегда получают одинаковые значения остаточной деформации при сжатии, при сравнении разных смесей следует избегать сравнения результатов, полученных с использованием разных образцов.
Образцы типа А предпочтительнее для испытания резин, имеющих низкую остаточную деформацию при сжатии, т.к. при использовании больших образцов получают более высокую точность.
Образцы типа В предпочтительнее, если образцы вырубают из изделий. В этом случае, если нет других указаний, образцы следует вырубать как можно ближе к центру изделия. По возможности образец должен быть вырублен таким образом, чтобы его ось была параллельна направлению сжатия изделия при эксплуатации.
6.2 Подготовка
По возможности испытуемые образцы получают формованием диска. Допускается вырубать диск или готовить образец требуемой толщины, используя не более трех дисков меньшей толщины. Использование для контроля качества готовой продукции образцов, подготовленных из нескольких дисков, должно быть согласовано между заинтересованными сторонами.
Образцы вырубают в соответствии с ИСО 23529. При возможности коробления (образования вогнутой поверхности) форму испытуемого образца можно улучшить вырубанием в два этапа: сначала вырубают образец большего размера, а затем обрезают до точных размеров вторым резаком.
Образцы, получаемые накладыванием друг на друга резиновых пластинок или дисков, вырубленных из пластинок, для получения требуемой высоты, должны соответствовать размерам, указанным в 6.1; для таких образцов не применяют клей. Для слипания диски сжимают на несколько процентов в течение 1 мин. Количество слоев в испытуемом образце не должно превышать трех. Затем измеряют общую толщину.
При испытании образцов, подготовленных разными способами, можно получить разные результаты, поэтому не следует сравнивать полученные значения.
Примечание - Следует учитывать зависимость значения остаточной деформации при сжатии от степени вулканизации. Для получения представительного образца для пластин разных толщин или формованных изделий можно регулировать степень вулканизации формованных образцов.
Читайте также: