橡膠材料力學(xué)性能試驗方法研究

張啟宵，賀占蜀，邵麗娜

（鄭州大學(xué)機械工程學(xué)院，河南 鄭州 450001）

1 實驗裝置

本次實驗采用微控電子拉力試驗機 （圖1），其測力精度為B級。此實驗機可測試的項目有：拉伸強度、撕裂強度、伸長率、拔出力以及接頭連接強度等。試驗機的行程為1.2 m，能夠提供的最大拉力值為2000 N，功率為0.4 kW，電源電壓為220 V。通過計算機對拉伸過程進行監(jiān)測記錄。

應(yīng)力的計算式為：

式中：σ——應(yīng)力，MPa；f——拉力，N；b——樣片寬度，mm；c——樣片厚度，mm。

應(yīng)變必須通過試驗機在實際拉伸過程中的位移進行換算：

式中：ε——應(yīng)變；dt——拉伸機行駛的相對位移，mm；d——樣片的測試有效長度，mm。

2 單軸拉伸實驗

2.1 實驗準備

圖1 拉力試驗機

在橡膠拉伸實驗中，試樣應(yīng)該按照IS04661和GBT528規(guī)定進行加工，這對實驗結(jié)果具有非常重要的影響［1］。實驗采用汽車領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的三元乙丙橡膠，是乙烯、丙烯和少量的非共軛烯烴的共聚物。拉伸實驗樣片的厚度范圍根據(jù)實驗方法確定為2.0 mm±0.2 mm。單軸拉伸實驗樣片具體尺寸見圖2。單軸拉伸測試樣片正中為34 mm×6 mm×2.5 mm。

夾具如圖3所示。通過手動旋轉(zhuǎn)夾具左右兩端部的把手，控制夾具的張開及閉合。夾具與橡膠接觸處有許多整齊的小齒，其目的是增大它的摩擦系數(shù)，避免試樣在拉伸的過程中發(fā)生滑移。

2.2 測試

圖2 單軸拉伸樣片

橡膠拉伸實驗的影響因素有很多，如實驗樣片的形狀、樣片的型號、樣件的硬度、實驗的溫度、模壓的時間、拉伸的速度等。本文主要從實驗材料的硬度角度進行分析，分別制備硬度為40、50、60度的三元乙丙橡膠樣片。實驗在室溫下進行，將樣片用夾具夾緊后盡量保持樣片的上下表面平行，使其受力均勻。同時，在樣片中間有效測試范圍以內(nèi)安置兩個應(yīng)變片，然后通過計算機設(shè)置好初始參數(shù)，并開始拉伸。通過觀察計算機顯示的拉力和位移的變化總結(jié)規(guī)律。在實驗過程中，如果樣片斷裂的位置不在測試有效區(qū)域內(nèi)，那么這組數(shù)據(jù)是無效的必須重新進行拉伸實驗。根據(jù)不同硬度所制成的樣片單軸拉伸實驗的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系如圖4所示。由圖4可知，在其他已知條件固定不變的前提下隨著橡膠硬度的提高，單軸拉伸在相同應(yīng)變情況下，應(yīng)力值越大。

圖3 單軸拉伸夾具

圖4 橡膠單軸拉伸應(yīng)力應(yīng)變圖

3 雙軸拉伸實驗

通過軟件模擬進行橡膠插拔力與疲勞仿真，必須提供的數(shù)據(jù)包括材料的壓縮實驗數(shù)據(jù)，但是僅僅進行單軸壓縮并不能完全滿足需求。因為樣片的底部與機械設(shè)備還存在一定的摩擦從而引起樣片的側(cè)面出現(xiàn)非常明顯的剪切應(yīng)變，這對實驗結(jié)果的影響很大。對于幾乎不可壓縮的材料，通過對樣片進行雙軸拉伸實驗來替代純的壓縮實驗，可以得到較為精確的材料參數(shù)。

3.1 實驗準備

采用邊長為45 mm的正四邊形，去掉4角，盡量減小不參加測試的區(qū)域?qū)?yīng)力的影響，如圖5所示。測試區(qū)域為樣片正中28 mm×28 mm×2.5 mm。

圖5 雙軸拉伸試樣

由于實驗室拉伸機自身的局限性，拉伸裝置只能進行一維運動，不能直接進行雙軸拉伸。為了測定雙軸拉伸實驗參數(shù)，設(shè)計使用的雙軸拉伸夾具見圖6。4塊夾片分別夾住樣片的四周，為了受力均勻以及得到精確的結(jié)果，一定要保證夾具的上下部分完全平行，固定樣片所用的螺母一定要擰緊，盡可能減少實驗的誤差。

3.2 測試

同單軸拉伸實驗一樣，分別制備硬度為40、50、60度的橡膠樣片進行雙軸拉伸實驗，分析橡膠硬度對應(yīng)力應(yīng)變的影響。根據(jù)不同硬度所制成的樣片單軸拉伸實驗的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系如圖7所示。由圖7可知，隨著三元乙丙橡膠硬度的提高，雙軸拉伸在相同應(yīng)變情況下，同樣是應(yīng)力值越大。

雙軸拉伸從開始到斷裂的過程如圖8所示。

圖6 雙軸拉伸夾具

4 平面拉伸實驗

4.1 實驗準備

通過研究發(fā)現(xiàn)，實驗所用樣件的長寬比對實驗結(jié)果非常敏感。因此進行平面拉伸實驗應(yīng)選擇合適的尺寸，保證長度方向的尺寸遠小于寬度方向，盡量減小對厚度方向的約束縮小厚度。制備樣片大小為90 mm×90 mm×2 mm，其中上下兩邊90 mm×25 mm×2 mm為夾具所夾持部分，正中的90 mm×20 mm×2 mm為測試區(qū)域 （圖9）。

圖7 雙軸拉伸應(yīng)力應(yīng)變圖

圖8 雙軸拉伸過程

平面拉伸實驗夾具如圖10所示。夾具在設(shè)計時應(yīng)滿足如下要求：有足夠的強度和剛度、結(jié)構(gòu)簡單、體積小、尺寸精度穩(wěn)定、便于排屑等。平面拉伸實驗和傳統(tǒng)的單軸拉伸實驗不同的地方在于，它并沒有橫向應(yīng)變，這也是平面拉伸實驗最為重要的一點。在實驗中為了達到這個目的，通過兩個150 mm寬的夾子進行平面拉伸。

圖9 平面拉伸試樣

圖10 平面拉伸實驗夾具

4.2 測試

同上，分別制備硬度為40、50、60度的三元乙丙橡膠樣片進行平面拉伸實驗，分析橡膠硬度對應(yīng)力應(yīng)變的影響。根據(jù)不同硬度所制成的樣片平面拉伸實驗的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系如圖11所示。由圖11可知，隨著三元乙丙橡膠硬度的提高，平面拉伸在相同應(yīng)變情況下，應(yīng)力值越大。

5 結(jié)論

本文詳細描述了三元乙丙橡膠樣片從制備到實驗的整個過程：包括樣品的規(guī)格大小、樣品設(shè)計以及橡膠的拉伸實驗。同時，由于實驗機的局限性不能滿足平面拉伸以及雙軸拉伸的要求，對所用的橡膠樣片夾具做了基本的描述。

圖11 平面拉伸應(yīng)力應(yīng)變圖

通過3種不同加載方式的實驗，為接下來進行有限元仿真分析提供了必要的材料性能參數(shù)，為接下來的數(shù)據(jù)分析奠定了堅實的基礎(chǔ)。

同時，完成三元乙丙合成橡膠的單軸、雙軸以及平面拉伸。研究了橡膠硬度對應(yīng)力應(yīng)變的影響。實驗結(jié)果表明，3種加載方式下隨著三元乙丙橡膠硬度的提高，平面拉伸在相同應(yīng)變情況下，應(yīng)力值越大。