Файл: Потураев, В. Н. Резина в горном деле.pdf

Ч,мн/мг

а

С,МН/мг

Рис. 27. Температурные зависимости вязкоупругих ха­ рактеристик элементов сдвига из резины 2959 при отно­ сительной деформации 0,02:

36

Частотные зависимости исследуемых деталей качественно были такие же, как на рис. 24, и определялись в интервале темпера­ тур - 5 0 -г- 180° С [61, 43].

Температурные зависимости модуля сдвига G и коэффициента ф поглощения энергии показаны на рис. 27, а и б. Как видно, криогенные температуры увеличивают модуль сдвига и коэф­ фициент поглощения энергии. Характерно, что до температур примерно —5° С вязкоупругие характеристики практически не изменяются; с понижением температуры ниже этого уровня вели­ чины G и ф резко возрастают. Повышенные температуры умень­ шают модуль сдвига и увеличивают коэффициент поглощения

G,G',0-

для модулей потерь:

1 - G ' , 2 ~ G"; 3 - GOT

энергии. До температур 80—100° С величины G и ф остаются практически постоянными.

Резина обнаруживает линейные вязкоупругие свойства лишь до определенной величины прилагаемого напряжения, пределы изменения которого зависят от характера и структуры материала. При напряжениях, превышающих это предельное значение, зави­ симость нагрузка — деформация все более отклоняется от линей­ ной и не может быть описана средствами линейной теории вязко­ упругости. В практике исследования и применения резин непро­ порциональность деформации и напряжения выражается прежде всего в зависимости модуля упругости и коэффициента потерь от амплитуды.

Наглядное представление о нелинейной связи сила — дефор­ мация дают гистерезисные петли, получаемые при циклической нагрузке нелинейного материала. На рис. 28 показана такая петля, полученная при сдвиге образцов из резины на основе НК, наполненной 52 весовыми частями газовой канальной сажи.

37

Как видно, параметры петли нелинейно изменяются от величины деформации. К тому же площадь петли между первоначальной кривой 1 и кривой 2 значительно меньше, чем площадь между

На рис. 29 показаны диаграммы зависимости вязкоупругих свойств наполненных резиноподобных материалов от величины деформации, полученных при статических и динамических спосо­ бах нагружения. Как видно, модуль упругости в области малых

пией, т. е. разрушением и рекомбинацией наполненной структуры. При малых амплитудах деформации структура разрушается незначительно, ее восстановление происходит быстро и величина модуля потерь G" весьма невелика. При больших амплитудах структура разрушается очень сильно, но ее восстановление про­ исходит медленно и модуль потерь также мал. Максимум потерь приходится на промежуточную область, где наряду с большим разрушением происходит и быстрое восстановление структуры.

Структурные изменения при повторных нагрузках наиболее четко проявляются в сильно наполненных резинах, для которых характерно существование двух типов гистерезиса: молекуляр­ ного и от наполнения. Молекулярный гистерезис обусловливается вязкоупругой природой полимера и связан с характером движе­ ния и рекомбинацией цепных макромолекул. Этот гистерезис зависит от температуры и скорости приложения деформирующей нагрузки. При малых скоростях успевают произойти молекуляр­ ные перегруппировки и материал проявляет типичные высокоэла­ стические свойства, что выражается в частотной и температурной

38

зависимостях вязкоупругих характеристик. При высоких ско­ ростях рекомбинации молекулы не успевают произойти и резина ведет себя как упругое тело. Молекулярный гистерезис наиболее полно проявляется в ненаполненных резинах, что было рассмо­ трено ранее.

В наполненных резинах он проявляется весьма слабо и обеспе­ чивает некоторую зависимость величин G' и G" от температуры и частоты, которая наблюдается и при сильном наполнении вулканизата. Основной же гистерезис, возникающий в наполненных

Рис. 31. Частотные (а) и амплитудные (б) зависимости модуля сдвига и угла сдвига фаз для вулкаыизатов на основе СКН-40 с 53,4 весовыми частями сажи:

а — 1—2А = 4мм; 2 — 2 А = 6 , 5 мм[ 3 — 2 A = 1 1 m m j 6— 1— м = 4 5 1 /с; 2 — а = 8 5 1/с; 3 — со= 160 1/с

системах при циклическом нагружении, обусловлен разрушением и рекомбинацией углеродных связей между частицами напол­ нителя.

Такое представление эффекта тиксотропии хороню согласуется с экспериментальными данными, полученными многими исследова­ телями для резин с различной степенью наполнения [78], [81].

Эффект Патрикеева — Муллинза наиболее четко проявляется в наполненных резинах при деформациях, не превышающих 10%. Структура наполнителя при таких величинах деформации разру­ шается примерно на 90% [39] и при дальнейшем увеличении амплитуды мало влияет на вязкоупругие свойства полимера. Однако резина проявляет нелинейные свойства вплоть до разру­ шения. Другими словами, эффект Патрикеева — Муллинза

39

может быть рассмотрен как единственный механизм, объясняющий нелинейный характер деформации резины. При больших дефор­ мациях преобладающими будут явления взаимодействия вулканизата с наполнителем и на его упругие характеристики будет оказывать действие тип каучука, концентрация наполнителя и его адгезия к исходному полимера и т. д.

На рис. 30 показаны амплитудные зависимости установив­ шегося модуля сдвига Gm от величины логарифма относительной деформации, выраженной в процентах, для двух марок резин на основе каучука СКН-40, наполненного сажей типа ТМ-15. Об­ разцы сдвига с привулканизованными металлическими пласти­ нами имели размер эластичного элемента 55 X 45 X 38 мм. Вы­ держка под нагрузкой была одинаковой для всех величин дефор­ маций и равнялась примерно 120 мин. Как видно, нелинейные свойства, характерные для малых деформаций, несколько умень­ шаются с увеличением относительной деформации сдвига. Причем, наклон зависимости G (lg у) существенно зависит от наполнения смеси сажей. С увеличением степени наполнения амплитудная зависимость проявляется более четко.

На рис. 31 показаны частотные и амплитудные зависимости вязкоупругих свойств динамического модуля и угла сдвига фаз для вулканизатов на основе СКНг40, наполненных 53,4 весо­ выми частями сажи ТМ-15. Как видно, частотная зависимость модуля сдвига проявляется довольно четко и напоминает анало­ гичную зависимость для ненаполненных резин. Угол сдвига фаз наполненных вулканизатов в отличие от ненаполненных с ростом частоты несколько возрастает. Что же касается амплитудных зависимостей, то они проявляются во всем диапазоне исследован­ ного режима нагружения.

3. УСТАЛОСТНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ РЕЗИН

При длительном действии статических или динамических нагрузок в резине могут накапливаться необратимые механико­ химические изменения. Такое накопление называют усталостным процессом, или утомлением, а разрушение образца в результате его действия — усталостным разрушением. Время наработки детали от начала эксплуатации до выхода из строя называют долговечностью, выносливостью или сроком службы. При этом

большее напряжение, которое образец может выдержать при сколь угодно большом числе циклов нагружения.

В процессе утомления наряду с механическим нагружением неизбежно действуют такие факторы, как свет, тепло, химически активная среда и т. д. Эти факторы, отрицательно влияя на свой­ ства материала, не приводят, однако, к разрушению детали.

40

В связи с этим необходимо разделять понятия «утомление» и «старение», имея в виду, что в первом случае речь идет о таких изменениях свойств материала, которые обусловлены в большин­ стве случаев действием только механических факторов. Понятие же «старение» охватывает все механические, физические, химиче­ ские и электрические влияния и процессы, которые в своем кол­ лективно-функциональном взаимодействии приводят к необрати­

новившемуся в последнее время мнению усталость резины явля­ ется сложным механохимическим процессом, в котором прило­ женные напряжения инициируют, ускоряют и замедляют различ­ ные химические реакции, вызывающие необратимые изменения структуры и физико-механических свойств материала. Исследова­ ние процесса усталостного разрушения резины значительно ослож­ няется влиянием многочисленных факторов, например тип кау­ чука и состав исходной смеси, степень вулканизации, агрессив­ ность окружающей среды, действие света, солнечной радиации, радиоактивного облучения, режима деформации и т. д. Кратко остановимся на влиянии некоторых из них, обратив особое внима­ ние на факторы механического происхождения.

В л и я н и е р е ж и м а и с п ы т а н и й . Существующие теории временной прочности резин в большинстве случаев разви­ вались применительно к гармоническому режиму деформирова­ ния как к наиболее распространенному в практике. Попытки применить уже разработанный для этого режима математический аппарат на более сложные режимы испытания успеха не имели. Опытами установлена существенная зависимость долговечности материалов от режима нагружения и вида напряженного состоя­ ния.

При гармоническом нагружении обычно реализуют два режима: симметричный и асимметричный (при введении статической соста­ вляющей деформации). При асимметричном цикле нагружения долговечность резин уменьшается [34]. Для натурных РТИ, например резино-металлических шарниров [53], срок службы уменьшается при увеличении радиального усилия за счет статиче­

лостную прочность резины довольно часто сравнивают с проч­ ностью при одноактном разрушении. Подтверждением этому слу­ жит тот факт, что с увеличением амплитуды циклического нагру­ жения усталостное разрушение образца по своей природе прибли­ жается к обычному разрыву. Если выносливость уменьшается до одного цикла, усталостная прочность резины совпадает с сопро­ тивлением разрыву. В этом случае для числа циклов Лг до раз­ рушения образца справедливо соотношение

41