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橡胶的往复变形

2020-10-28 09:44:14
         对于理想的弹性材料来说,如钢弹簧,当将其拉伸时,外力所做的功能以位能的形式贮存起来。而将外力除去,位能又变成动能,弹簧则恢复至原有尺寸。粘性液体则又是另一极端的例子,使它变形的能量不能贮存起来,而以热能的形式耗散。橡胶则居于二者之间。如将橡胶试片拉伸(不使其断裂),然后以相同的速度使其回缩,拉伸与回缩的应力-应变曲线并不重合,如图5-39所示。图中,OA为伸长曲线,拉伸至A点后让其回缩,AC是回缩曲线。伸长曲线OA与横坐标所包围的面积OAB是使橡胶伸长时,外界对其所做的机械功。回缩曲线按AC进行,AC与横轴所包围的面积ABC为橡胶回缩时对外界所做的机械功。而OAB面积与ABC面积之差OAC为伸缩一周所损耗的机械功。损失的机械功化为热量,时橡胶本身温度升高。所损失的机械功称滞后损耗。

       
        如果是理想橡胶,分子间没有粘性阻力的,伸长与回缩曲线应均按OCA线(即平衡线)进行,如图5-40.但实际橡胶是有粘阻力的,变形落在作用力的后面。如果试样单位面积上的作用力是P,平衡变形硬是1-0时,试样的变形只能达到1-1;而回缩时,应力减至P,试样又不能恢复到1-0,只能恢复到1-2。在一伸一缩的一个循环里,应力-应变的关系便构成了一个能量损耗圈,称为滞后圈。

        滞后损耗圈是橡胶变形时的粘阻性质所致。在强力机上,伸缩的速度为一定,而橡胶中却有一系列松弛机构。在这一系列松弛机构中,松弛时间比强力机往返周期短者,在橡胶变形过程中已自行松弛。这部分松弛机构跟得上强力机的往返,不产生滞后损耗。有一些松弛时间比强力机往返时间长得多的松弛机构,在伸缩过程中还来不及运动,也没有滞后损耗。只有那些与强力机往返运行周期相当的机构起着主要的粘阻作用。
       因此,硫化胶的滞后损耗与橡胶的种类,硫化程度,配合剂等有关,也与变形的速度和温度有关。如果橡胶伸缩进行得很快,比所有分子链的松弛时间t都小,分子链来不及张开,橡胶呈现玻璃态,没有滞后损耗。如果变形量很小,运动变形的时间又比所有分子链的时间都长,所有的松弛机构都在伸缩运动的周期内松弛完毕,接近平衡状况,滞后损耗也就很小。温度的影响仍如前述,在高温和很低的温度下,滞后损耗都很小。
       如果在强力机上使试片往复变形几次,滞后圈将逐渐缩小,并使能力损耗的数量固定下来。在讨论滞后损耗时应以固定不变的圈为准,经过几次往复运动之后,参加变形的分子都移到一固定的位置上,以后就在这个平衡位置上往复运动。
       橡胶在实际使用时,常常受到周期性的作用力,一般静力作用的实验结果往往与制品的实际使用情况不符。橡胶呈现玻璃态的温度与周期变形的频率有关,天然橡胶硫化胶的玻璃化温度与频率的关系如下:
若汽车行驶的速度为每小时60公里,一般外胎变形的频率约为100周/秒,而一般强力机相当于在5分钟一周的时间内进行,试片拉伸的速度与实际使用情况相差近30000倍,两种情况下的耐寒温度相差近30摄氏度。因此橡胶制品的使用性能应在接近实际使用的情况下进行,或按温度,时间互换原理作必要的换算。

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