Эластичность по отскоку

Для характеристики эластических свойств резины при быстрых однократных деформациях ее часто подвергают испытанию на удар. Показателем эластичности при ударе является отношение работы, возвращаемой деформированным при ударе образцом, к работе, затраченной на эту деформацию при ударе, что численно равно отношению высоты отскока свободно падающего на резиновый образец маятника к высоте его падения. Иногда этот показатель называют полезной упругостью при ударной нагрузке.

Определение эластичности по отскоку производится по ГОСТ 6350—54 на эластомере (маятниковом копре типа Шоба).

На показатель эластичности по отскоку влияет ряд факторов; с увеличением толщины образца и с повышением температуры показатель эластичности увеличивается, с повышением содержания наполнителей в резине эластичность по отскоку понижается.

РЕЛАКСАЦИОННЫЙ* ХАРАКТЕР ДЕФОРМАЦИИ КАУЧУКА

(* Релаксация—ослабление напряжения в деформированном теле во времени.)

Деформации каучука и резины имеют особенность, заключающуюся в том, что величина напряжения и деформации зависит от скорости деформации и продолжительности действия деформирующей силы. Эта особенность релаксационного характера деформации каучука проявляется в релаксации напряжения, ползучести (крип), упругом последействии.

Ползучесть или крип состоит в постепенном увеличении деформации резины под действием постоянной нагрузки (P=const, σ₀=const). Если образец, имеющий первоначальную длину l ₀, растягивается под действием силы Р₀, то его длина, равная в начальный момент растяжения l₁ через промежуток времени, равный п мин, увеличивается до l _n, причем сначала наблюдается наибольшее приращение длины образца, а затем в последующие моменты приращение образца происходит значительно медленнее. Наконец, через некоторое время при данной температуре наступает равновесное состояние, при котором длина образца не изменяется или изменяется очень медленно. На графиках рис. 23 показана зависимость длины образца l и относительного удлинения ε от продолжительности деформации τ.

Естественно, что в обоих случаях получаются аналогичные кривые, так как Δ l пропорциональна ε.

Если деформацию резины производить при условии Δ l =const и ε =const, то со временем наблюдается постепенное понижение нагрузки и напряжения, необходимых для поддержания постоянной величины деформации. Это явление носит название релаксации напряжения. Таким образом, релаксация напряжения состоит в понижении с течением времени напряжения, нужного для обеспечения определенной величины деформации. Кривая изменения напряжения при

ε =const, называемая кривой релаксации напряжения, дана на рис. 24. На кривой можно выделить начальный криволинейный участок АБ и прямолинейный участок БВ. Момент, соответствующий окончанию начального участка АБ, определяет достижение равновесного состояния. Время, которое необходимо для достижения равновесного напряжения, называется временем релаксации. Время релаксации напряжения наполненных резин больше, чем ненаполненных.

При нагревании подвижность молекулярных цепей возрастает и релаксация напряжения значительно ускоряется (время релаксации сокращается). Релаксация напряжения наблюдается при практическом использовании резличных

Рис. 23. Зависимость длины образца l и относительного удлинения ε от времени деформации τ при Р= const.

Рис. 24. Кривая релаксации напряжения для резин при ε = const.

уплотнительных прокладок, работающих при определенной величине деформации сжатия. С течением времени понижение напряжения приводит к падению плотности соединения деталей с помощью резиновых прокладок. Ползучесть проявляется в том, что детали из резины, находящиеся под действием постоянной нагрузки, изменяют свои размеры (разнашиваются). Естественно, что релаксация напряжения и ползучесть наблюдаются не только в условиях статических испытании, при однократном растяжении, но и при динамическом режиме работы в условиях многократных деформаций.

Явление упругого последействия состоит в постепенном восстановлении резины после прекращения механического воздействия или, другими словами, в уменьшении со временем величины остаточной деформации. Величина остаточной деформации резины зависит также от продолжительности ее деформации; с увеличением продолжительности деформации увеличивается и величина остаточной деформации, иногда в десятки раз²⁸.

Релаксационный характер высокоэластических деформаций каучука и резины проявляется только при достаточно медленно проходящих деформациях, так как для развития релаксационных процессов необходимо продолжительное время. Поэтому деформации, происходящие с большой скоростью, а также многократные деформации, происходящие с большой частотой и небольшой амплитудой, имеют в основном характер упругих деформаций, мгновенно достигающих равновесия и также мгновенно исчезающих после снятия нагрузки. Все релаксационные процессы ускоряются с повышением температуры, и наоборот, сильно задер­живаются с ее понижением.

Зависимость величины деформации, напряжения и остаточного удлинения или сжатия от скорости деформации, продолжительности деформации должна всегда учитываться при определении физико-механических показателей вулканизатов.

ВЛИЯНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ НА ДЕФОРМАЦИЮ

Изменение температуры оказывает сильное влияние на релаксационные процессы и па физико-механические свойства каучука. Для всех каучуков наблюдается понижение предела прочности при растяжении с повышением температуры, но оно происходит для различных каучуков с разной скоростью.

Относительное удлинение при разрыве при температурах выше комнатной, как правило, быстро понижается. Исключение составляют вулканизаты натурального каучука, относительное удлинение которых с повышением температуры может повышаться.

ТЕПЛОВОЙ ЭФФЕКТ РАСТЯЖЕНИЯ КАУЧУКА

При значительном растяжении натурального каучука (более 15-20%) в адиабатических условиях наблюдается выделение, тепла, пропорциональное величине растяжения. При сокращении растянутого образца, наоборот, наблюдается поглощение тепла. Тепловой эффект не эквивалентен работе, затраченной на растяжение. Величина теплового эффекта значительно превосходит работу растяжения, выраженную в тепловых единицах. Причиной теплового эффекта растяжения является процесс кристаллизации, точнее—скрытая теплота кристаллизации каучука. По мере растяжения увеличивается степень кристаллизации, возрастает и тепловой эффект растяжения. Поэтому тепловой эффект наблюдается только при растяжении кристаллизующихся каучуков — натурального, полихлоропренового и некоторых других.

НЕКОТОРЫЕ ВОПРОСЫ ТЕОРИИ ЭЛАСТИЧНОСТИ

В основе современной теории эластичности каучука лежат представления о молекулярно-кинетическом строении каучука. Теория эластичности раскрывает механизм эластических деформаций,

устанавливает причины релаксационного характера этих деформаций. Сущность современных представлений о молекулярно-кинетическом строении каучука заключается в том, что молекула каучука состоит из молекулярных звеньев, обладающих способностью изменять свое взаимное расположение благодаря непрерывному вращательному и колебательному движению вокруг простых связей. Вследствие непрерывного хаотического теплового движения молекулярных звеньев молекулы каучука находятся не в растянутом, а в свернутом состоянии, как это изображено на рис. 15 (стр. 82), конфигурация молекул при этом вес время меняется.

При приложении к каучуку растягивающей силы молекулы каучука начинают распрямляться вследствие натяжения, которое пни испытывают вдоль направления растягивающей силы. Благодаря этому происходит значительное растяжение образца. Чем больше степень растяжения, тем более ориентированным в направлении действия силы становится расположение молекул каучука. После прекращения растяжения наблюдается восстановление первоначальных размеров образца, он сокращается вследствие теплового движения молекул, которые снова стремятся принять первоначальное хаотическое свернутое состояние.

В эластичной резине молекулы каучука в отдельных местах связаны посредством атомов серы или кислорода или непосредственными валентными связями с другими молекулами. Такая пространственная сетчатая структура, характеризуемая наличием поперечных связей, несколько усложняет общую картину деформации молекул каучука при растяжении тем, что растяжение одной молекулярной цепи вызывает напряжения в соседних молекулярных цепях. Поэтому способность к упругому восстановлению деформированного вулканизованного каучука значительно выше и Эластические свойства его более высоки, чем у невулканизованного.

Таким образом, способность каучука деформироваться и восстанавливаться после прекращения деформации, связана с особенностью молекулярной структуры каучука и постоянным тепловым движением молекулярных звеньев, приводящих молекулы к свернутому состоянию.

При достижении равновесия определенной величине внешней растягивающей силы соответствует некоторая определенная степень растяжения молекулярных звеньев. Но для достижения такого равновесия и перегруппировки молекулярных звеньев в соответствии с величиной внешней силы, ввиду сложности молекулярной структуры, требуется достаточно большой промежуток времени, зависящий от типа молекулярной структуры (типа каучука) и от температуры. Изменение величины деформации всегда отстает от изменений деформирующей силы, благодаря этому деформации имеют релаксационный характер. Чем выше температура, тем больше интенсивность теплового молекулярного движения и тем больше подвижность молекулярных звеньев. Поэтому при повышенных температурах молекулярные звенья каучука быстрее принимают равновесное состояние и скорость релаксации возрастает. Подобным же образом можно объяснить эластичность каучука, обнаруживаемую при деформациях сжатия, сдвига, изгиба.

Дата добавления: 2015-07-12