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鉴定橡胶撕裂强度的新方法

橡胶的撕裂性能试验是要讨论试样抗裂纹扩大的强度。该文就改进撕裂试验和测定试样破坏瞬间撕裂区橡胶的形变句和形变能量 AN问题提出了建议。文中还建议进一步改进在周期性负荷下测定撕裂强度指标的方法。根据俄国和国际标准,撕裂强度由以下指标确定:TN= FN/t 式中 FN 一一使试样发生撕裂破坏的力; t试样厚度。
应当指出.用这一指标来评定在给定变形和给定变形能量条件下( =常数, 常数)工作的橡胶制品的性能是不够的。许多轮胎和橡胶工业制品的部件是在这种条件下工作的,这些橡胶的质量应当由撕裂瞬间的形变幻和形变能量 AN 来确定,即既要在静态条件下,又要在周期性负荷条件下进行测试。在现行标准中作抗撕裂试验时规定采用以下形式的试样: 1)40mm 纵向切口的条状(裤形) ; )带深度lmm 侧向切口的弯月形; )带深度 0. 5mm向切口的弯月形(“腰形”)“腰铲”形); )带切口或不带切口的角形; )宽 ~mm 带中心切口(宽 5mm )的条形(“海豚勺。
标准试样有各种形状和尺寸,还有各种切口。因此当变形时,它们的应力形变状态( H,'.lC')之间有非常大的差别。故用它们测定的撕裂强度指标不可相互比较。现行标准主要的缺点是需要大量的试样。重新修订标准时,应当论证取用一个或两个标准试样的理由,这种试样应该用于实验室间或进行仲裁性的试验。为了测定撕裂区的句,必须对每个试样规定需测量的部位,而为测定比值 们应当确定测量部位的范围。由于各个试样的应力形变状态不间,故被确定的撕裂区的材料的变形有假定性质,与 TN值一样,彼此是不可比较的。
下文叙述测定各个试样 E:H. AH. 的可能性。带纵向切口的条形试样(“裤形”)这种试样拉伸时的 HI{C 应力形变状态是不均匀的。切口内侧的变形最大,而试样的外侧变形几乎为零,因此不可能正确地确定工作区的范围。测得的切口内侧的变形是有条件的,也搞不清楚变形是哪一截面上的。为此,我们认为用这种试样来测定句和 AH. 是不适宜的。弯月形试样(“腰铲形”)这种试样很大程度上适用于测定句和AR 。用它来确定工作区无重大误差。内外圆弧处的变形差别也比较小,取决于测量区长度变化的误差在 10% 左右。可以用两条与试样轴线平行并通过切口的直线来限定试样的工作区,平行直线间的距离为 lOmm 15mm 。测定这种试样变形的示意图见图 。试样拉伸时测量平行线上记号间的距离。
仪器夹具间的距离变化范围为 45mm70mm ,这对 们句和 AR 指标的影响较小。因此,这种试样可以用来测定 E:H. ARo。
弯月状腰形试样用这种试样测定变形的示意图与腰-铲形试样相同。工作区长度取 lOmm 血和 AR 值的测定方法也同腰铲形试样。
角形试样这种试样不宜用来测定句和 AR 试样的形状比较复杂,因此其应力形变状态是不均匀的。
带中心切口的条形试样(“海豚”形试样)这种试样形状规范,可以按夹具间的距离测定变形。
应当指出,海豚形试样的破坏机理有别于弯月形和角形试样的破坏机理。弯月形和角形试样拉伸时会使切口增长,而海豚形试样上往往出现纵向裂口,随后在试样的两侧肩部产生断裂。
用不同方法对天然橡胶 HK 和丁苯橡胶EC1' 进行试验的比较数据列于表 和表腰-铲形试样和腰形试样切口深度(见表)为 Imm ,工作区长度 lOmm 。裤条形试样和海豚形试样工作区长度分别为 30mm 50mm 。从表 可以看出,采用裤形、腰-铲形和腰形试样时,天然橡胶 HK 和丁苯橡肢 BCK撕裂性能指标明显不同。当采用海豚形试样时,撕裂性能指标与强度性能指标相关,即几乎未显示出撕裂的特点。
 
从表 和表 列出的数据可以看出,当切口深度从 0. Smm 增加到 Imm 时, TR 降低了25 30% 。对于腰-铲形试样和腰形试样来说TR E:R 值很接近。
在所得数据的基础上可以得出结论,即要测定 且和 AR 指标,弯月形试样在大多数情况下是适宜的。但是这些试样很难用来进行撕裂动态疲劳试验。为此用条形和铲形试样试验周期性负荷下裂纹的扩展,试验示意图见图。
 
铲形试样宽 6mm ,厚 2mm ,前切口探Imm ,通过狭窄的工作区中间,长度为 25mm50mm 。条形试样长 80mm lOOmm ,宽6mm lOmm ,厚度约 2mm ,切口深度 Imm,在试样的中心。上述试样拉伸时,只有在切口处的应力形变状态不均匀,而在其他工作区它是均匀的。
关于条形试样前切口对应力形变状态的影响可以根据带切口和不带切口的试样的拉伸曲线加以讨论(见图 )。
从图 可以看出,在给定变形的条件下,有切口和无切口的试样的设定应力几乎吻合。这样,按 rocT(前苏联国家标准,下同) 261-79定周期性变形能量就比较简单了。
有前切口的试样试验时可以测定 TR,E:RAR 值,也可以按公式计算公称强度 11.:JR= FR(at) (3)式中 一一试样宽 一←切口区试样的实际厚t=t.-ta(ta一-切口深度 t. 试样厚度)。
 
强度性能( f'OCT270-75 )和抗撕裂强度(I'OCT262-79 )的比较数据,以及有前切口的异戊橡胶 CI\.Il-3 苯橡胶 BC!\.、顺丁橡胶 CI\.Ll.和丁苯橡胶 CI\.C 10 铲形试样的试验数据列于
 
从表 列举的数据可以看出,对于有前切口的试样来说,指标取决于橡胶的种类。
应当指出,按指标句评定橡胶质量与按指TR 评定的质量不相符合。这说明测定句值非常重要。在给定周期性能量条件下,工作的橡胶,其质量可以按(/ReR )乘积(见表 )或 TReR)乘积(它们与 AR 值相关)来按序排定,并且无重大误差。可见,按 TR <fReR 值对橡胶进行评定是不适宜的。
用带前切口的试样便于测定在周期性变形条件下橡胶的撕裂强度,因为在这种试样中应力均匀地分布于其宽度方向,而疲劳过程也是同样沿试样宽度方向发生的。进行疲劳试验时可采用宽 6mm 和厚度 2mm 的铲形试样(「OCT270 75 )或相同宽度和厚度的条形试样。
条形试样的长度取决于产生疲劳时的变形。在试样中间有一深 Imm 的前切口。按 roCT261-79 进行多次拉伸试验。对于耐周期性负荷强度低的橡胶,可在周期次数减少条件下进行试验。按这些试样的静态试验数据确定起始的周期性变形。最大的起始周期变形 eo =句/ ,然后变形逐渐减小。为了使数据更加精确和信息量大,试验应当在不低于三次变形的情况下进行。根据所得数据,建立了 lgN-lgE 关系式,必要时还有lgN-lgf lgN-lgW 关系式,式中 E,f,W 分别是变形、应力和变形能量的最大值。 值由拉伸曲线/Ce )确定,而拉伸曲线/( )由带切口的试样疲劳试验变形时经力学处理后得到。拉伸次数应不少于 12 次;拉伸速度为 500lOOOOmm/min 。橡胶的质量性能由 103 '104 ' 105和更多周期下的句.y,fR.y WR. 表示,也可以用给定 e,J,W 时的疲劳强度 表示。至破坏时的次数 与变形的典型关系曲线见图。
 
疲劳撕裂性能指标可用疲劳强度系数值来补充,这些系数值系由曲线 lgN (lgE' lgf' lgW)按方法[ 〕确定的。撕裂疲劳性能指标〈例如至试样破坏时的疲劳强度 NR )给出了切口扩展延续时间的实际范围,因此这些指标能令人信服地表征制品中橡胶的行为。
各种试样的弹性疲劳强度(「OCT270-75 ),撕裂强度(「OCT262-79 )和疲劳强度 (rOCT261-79 )性能列于表 (参见图 )。
从表 可以看出, C.1\.11 异戊橡胶和EC队丁苯橡胶整体试样的弹性强度性能和疲劳强度指标差别不大,但是 Cl\11-3 橡胶的 TR大于 EC.I\. 橡胶的,橡胶的 NR 值经比较后差别甚大。因此,撕裂疲劳试验更适合于定量地鉴定胶料质量。此外,与按 l'OCT9983-74 进行的裂纹扩展疲劳试验相比,信息量更大。
 
用带侧向切口的普通条形试样试验时(见),撕裂性能指标与按 rocT270-75 测定的强度性能指标相关。在这种情况下呈现的图线也与海豚形试样试验时的相同,即无撕裂特有的特点。对条形试样进行这一试验的缺点是由于在切口区域缺少附加的过应力,拉伸时切口不能迅速扩大的缘故。为了消除这一缺点,沿试样的宽度必须形成不均匀的应力形变状态,为此至少可以采用下列两种方法。
第一种方法是拉伸时使固定试样的夹具旋角度(见图 26 ,转动的方向如箭头所示)。这样切口区的变形比较大,从而保证了切口快速扩大。
第二种方法是采用特殊的斜角夹具,它能使试样工作区呈梯形(见图 2, B ),使切口区产生过应力。这种试样试验时其较短一侧的应力大于较长一侧的应力。可按由长度增量与梯形中线长的比值算得的平均变形值来确定变形状态。由试样负荷曲线测定破坏功。与标准试样比较,梯形试样能改变过应力,即增大夹具斜角和试样宽度可提高过应力,而增加其长度可降低过应力。在实际采用梯形试样时,必须排除从夹具中脱出的材料。为此,可采用带凸缘的和厚度较小 Omm )的试样,试样宽度取 10 12mm,夹具斜角 30。~ 40。,平均长度 30 40mmo 条形试样试验示意图如图 2. 和图 2,B 所示,试验结果与弯月形和角形试样的相似。用条形试样做试验具有实用意义。
 
综上所述可得出如下结论:
1. 通过采用弯月形(腰-铲形,腰形)试样改进撕裂试验,使实际应用问题最简单。其他的标准试样不太适合。
2. 为了测定撕裂疲劳性能指标,建议采用
条形试样或带 Imm 深度的前切口铲形试样进行多次拉伸试验。撕裂疲劳性能指标能比较可靠地预测不同使用条件下橡胶的行为。
3. 提出了用于测定静态撕裂性能指标的带侧面切口的条形试样。为此,建议制备能可靠固定试样的必需的夹具。
4. rocTZ30l6-78 制备的条形试样(海豚形试样)未能显示出不同橡胶的撕裂性能特点(结构强度),因此它们是不适用的。