橡胶试验方法_二十九_摘自日本_试验法_王作龄

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橡胶试验方法（二十九）

——摘自日本《ゴム試驗法》

王作龄，张卓娅 编译

4.6 动态试验 4.6.1 动态性能试验

[1～9]

动态性能试验是用于研究硫化橡胶动态粘弹

性能的试验，原理上是给予振动的刺激，读取弹性应答和粘性应答。振动波形虽然也有短形波和三角波等，但一般使用正弦波。粘弹性体有限性区和非线性区，而本章以线性粘弹性论为基础进行处理。

4.6.1.1 动态试验方法分类

硫化橡胶的动态试验方法按振动方法和测定

方法可分为如表4-6-1所示的几种。对于强迫振动法，系统的振动由外力维持稳定状态，根据位移和力的大小及其相位差求出动态性能。自动振动法是给予系统初位移或初速度，使其自由衰减振动，根据该衰减波形求出动态性能的方法。波动传播法是根据试样长度给予充分短的波长的振动，由其传播速度和衰减率求出动态性能的方法。

表4-6-1 动态试验方法分类

振 动 形 式 分 类

例

附加质量 Dupont DMA [10] 共振振动

无附加质量

振动超前法[11][12]

RAPPA 正弦变形试验机[13] 强迫振动 非共振振动

Rheo Vibron [14] Yerzley oscillograph 自由振动 自由衰减振动

Torsion pendulum

Witte ，Mrowca and Guth 装置[15] 声波、超声波法、波动传播法

SRCC 装置[16]

此外，作为变形的样式有扭转、剪切、拉伸、压缩、弯曲等，开发了与表4-6-1的振动形式组合各种各样的试验机[17~19]。扭转自由衰减振动装置比较简单，测定也简单，虽然早就使用，但最近在粘弹性测定装置中使用非共振强迫振动的测定装置在增多。压缩方法一般需要大载荷容量。而弯曲、扭转和拉伸方法，载荷容量小，试样制作简单。

动态试验方法按试验目的分类，分为用于研

究材料的动态性能（弹性模量、损耗因数等）或用于制品设计进行的材料试验，以及研究防振材料、减振材料等制品本身动态性能的制品试验。作为制品试验用，载荷容量大和能增大变形振幅的强迫振动性的大型试验机比较适宜。作为动态试验的变形方式，在实用条件再现的方面压缩式和剪切式等有效果。作为材料试验用，频率和温度范围宽且能自动扫描的装置要比载荷容量范围宽的装置更有用。本章分类以外的回弹性测定也

是一种动态试验，因其操作简单而适用于质量控制等。

⑴ 自由衰减法

自由衰减法的最简单的形式是扭转摆锤式。

首先给予摆锤以扭转位移，而后打开时系统以固有频率反应扭转振动，其扭转角逐渐衰减下来。这种形式的试验装置提出了各种各样的方案，而现在在ISO 4663中进行了标准化。另一个已知的形式是杨子尼机械式示波器，测定原理与扭转摆锤式相同，在ASTM D 945中做了规定。这些方法只有模具低至某种程度的才能测定。另外，对于阻尼大而波形立即就衰减完了的材料不能测定。频率只有几赫兹以下，为了变更频率必须更换试样的尺寸或重锤。一般说弹性体的弹性模量依赖于变形率（或变形量），因此为了避开对变形率依赖性，应限定于振幅小的范围。与强迫振动法的装置相比，自由衰减法的装置相对简单且便宜，与其说适宜作制品试验，不如说适宜作原料的基本性能试验。 ⑵ 强迫振动法

强迫振动法可设定频率和变形量等，适于为

了再现使用材料的条件。该方法进一步又分为共振法和非共振法，而现在在更宽范围频率域内能测定的非共振法在增多。励振方法分为机械式、电磁式和油压式等方法。机械式又分为偏心凸轮式（RAPRA 的装置）、旋转不平衡质量式（roelig 的装置）和螺杆式等。机械式动态载荷或位移等虽然可以比较大，但现在这种方式几乎不使用。油压式可覆盖至几百赫兹程度的全频率（最近也出现了1,000Hz 的装置[20]）,而且也能使用正弦波以外的矩形波和随即波。在输出界限以上，要在高频下同时得到大位移比较困难，频率增高时位移减小。电磁式可覆盖相当宽范围的频率域，装置也比较小，是现在最常用的一种方式，但励振力和位移量有限度。通常使用可动线圈型，而近年也开发了能产生更高输出的动磁铁型的装置[21]。

共振法分为附加质量的方法和不附加质量的方法，而无论哪一种方法都利用系统具有固有频率的共振现象进行测定。

4.6.1.2 影响动态性能测定和计算的因素

动态模量G′、G〞（或E′、E〞）是应力对应变之比，是与试样的形状或尺寸独立的性能值，但在实际试验中并非直接测定应变或应力，可测定位移、载荷或角度变化和转矩等，这些物理量的比称为动态弹簧常数。根据这些弹簧常数解析试样内的应变或应力的分布，计算弹性模量。如果应变和应力分布均匀，则解析非常简单，但在实际试验中还稍微复杂一点。

⑴ 平均应力和平均应变

像图4-6-1那样的正弦波振动时，将最大应力

2τ与最小应力1τ的距离称为全振幅，将

()0122τττ=−称为最大应力振幅。另外将

()m τττ=+212称为平均应力，即以m τ=0为中

心给予正负相等的变形。拉伸和压缩变形的情况，在大于最大应力振幅0τ的平均应力m τ（初期应力，或也称为静应力）的基础上给予变形。在m τ＜

0τ时波形破坏而不能正确测定。应变的情况若将

应力换成应变则完全相同。补强性橡胶的情况应力-应变曲线为非线性，由平均应力或平均应变所得动态性能值也不同，因此需要注意。

图4-6-1 平均应力和最大应力振幅

⑵ 应变的强度和过程

大部分橡胶材料的粘弹性值对应变振幅具有依赖性[22,

23]。这种应变依赖性依聚合物、补强填

料而异，被认为取决于聚合物与填料间和填料与

填料间的相互作用，对此进行过许多研究[24~26]。在小应变领域粘弹性行为可假定为线性，对于正弦波应变，应荅的应力波形也是正弦波。另一方面，增大应变振幅时应力波形从正弦波开始崩溃，对粘弹性值的计算有影响。一般的来说剪切方法与其他变形方法相比，在达到较大应变前呈线性。这些互相作用可认为由于变形填料网络或者破坏或者恢复，对将其破坏速度和再构成速度变为参数的模型进行了研究[27~29]。由于粘弹性值被测定前受到的应变所影响，所以必须注意是在经历了怎样的应变过程后测定的。

⑶变形种类

变形种类虽然也取决于试样的形状，但一般说拉伸和剪切变形的应变比较单纯，可假定为均匀，而扭转和弯曲等的应变分布不均匀，弹性模量的计算变得复杂。这种变形方式的情况，即使最大应变部分也可能是线性领域，必须考虑应变量。

⑷试样尺寸、形状和安装方法

试样的大小依测定机器或测定方法而有很大差异，而向试样内传播弹性波的波长必须比试样尺寸还充分大（波动传播法的测定原理不同，测定弹性波的速度和衰减率）。如果试样长度是波长的1/100等级，则测定偏差虽可忽略，但当变为1/10等级时测定偏差急剧增加[30，31]。（参照补充Ⅰ）。因此，因为试样长度和波长的关系，对于可测定的频率有限度。植村振作等为了除去这种频率的限度提出了基于新原理的测定方法[30，32]。试样形状有条形、圆柱形和方形等各种，但由于长度与截面积之比或振动系统的惯性质量有时需要修正。试样被安装在夹具上或由适当的胶粘剂进行固定，但在该接触面或接合面上变形受到约束，因此应变不一样，需要修正形状。

对于压缩方法，在将试样与夹具接着的情况，或者在接触部分上贴上防滑砂纸的情况，由于非各向同性的变形而变为鼓型，形状系数就需要修正（图4-6-2）。为了进行各向同性变形，虽然也有在夹具与试样之间加入润滑油进行测定的方法，但现实中完全的各向同性变形比较困难。

图4-6-2 压缩试验的变形样式

4.6.1.3对精度的影响

弹性模量的测定精度，结果载荷和位移与测定精度具有依赖关系。频率高时或微小变形的情况等位移和载荷也小，检测器的分解能成为问题。此外，试样的尺寸测定精度也直接对弹性模量计算产生影响，试样滑动和位移量误差也都会影响相位差的精度。试样保持部的应力分布为非连续性，完全解析比较困难。因此，为了比较评价必须尽可能将保持部的条件规定为恒定。在使用油压伺服系统的情况，有时会影响伺服回路的非线性[33]，因此必须确认波形。

4.6.1.4非共振强迫振动法

作为试验方法在JIS K6394、ISO 4664中进行了规定（ASTM D 5992、BS/ISO 4664、DIN 53513也是同等的标准）。JIS K 6394-1998与ISO 4664-1998一致进行了修订，但ISO 4664也在准备修订，现在发行了最终草案ISO/FDIS 4664。JIS K 6394也已经在向该标准靠拢进行修订，本章参考ISO/FDIS 4664进行介绍。

⑴测定原理

对试样加正弦波振动时的载荷与挠度的时间波形变成图4-6-3那样，分别被表示为以下形状（参考补充Ⅱ）。

挠度：t

x

xω

sin

=（4-6-1）

载荷：)

sin(

δ

ω+

=t

F

F（4-6-2）

式中0x——最大挠度振幅；

F0——最大载荷振幅；