1、UDC 678. 4=678. 017 G 40 中华人民共和国国家标准弹性体动态试验的一般要求Elastomers-General requirements for dynamic tting 1988-09-20发布1989-05-01实施国家技术监督局发布| . HHHHHHHno -nv HHH川川川11咱ME-内，MMHHHHH7r EEE-闹闹咱nuulIll-ltnRV HU uuuuuumUEU M山川MMMMMnu-EE- | 中华人民共和国国家标准弹性体动态试验的一般要求Elastomers-General requirements for dynamic testing
2、本标准参照采用国际标准ISO2856-1981t( 19 ) y* = y.ei(wI一的. . . . . ( 20 ) G* = G + iG = IG* le1 . . . ( 21 ) 3.2.8 复数杨氏模量complex youngs modulus E* (Pa) 法向应力与法向应变的比值为复数的杨氏模量，即r z EfuUH-HH-HH-HH-H. . ( 22 ) e-u -.eict( 23 ) e* = e.elwI-的.( 24 ) E * = E + iE = I E * I el . . ( 25 ) (18)至(25)式中:t一一时间，s;。一一损耗角，则。3.2
3、.9 绝对复数剪切模量absolute (value of)complex shear modulus I G * I (Pa) 复数剪切模量的量值，IG门的关系式为2IG* 1=气/(G沪+(G)2 . ( 26 ) 或IG叫=号. . . . . . . . . . . .叫27) 3.2.10 绝对复数杨氏模量absolute(value of)complex shear modulus I E* I (Pa) 复数杨氏模量的量值。IE门的关系式为:IE*I = .)(E,)2 + (E2 . .( 28 ) 或IE叫=THH-HU-HH-HH-H-HH-HH(29)3.2.11 损耗因
4、子loss factor tg(无量纲)G . . ._ ._ E 损耗模量与弹性模量之比值。对剪切应力，损耗因子tg= ，;:，.;对法向应力，损耗因子tg=号。G 3.2.12 损耗角loss angle (rad) 应句与应变间的相位差。该角的正切值是损耗因子，损耗能W与损耗角之间有以下关系z对剪切应变w=.y.sin. . ( 30 ) 对法向应变W = llu.e.sin . ( 31 ) 3. 3 应用于其他运动的术语除了周期性运动外，还有自由振荡及冲击式运动等形式。阻尼自由振荡运动的应变振幅不断减小。当阻尼达到一定量(临界阻尼时，产生了非周期性的衰减(振与未振的临界状态。7 GB
5、 9870-88 3.3.1 对数衰减率logarithmic decrement A (无量纲)阻尼振动中两个相邻的振幅衰减比的自然对数，即当A很小时，近似有tg句?。3.3.2 阻尼比damping ratio u (无量纲)A = 1叫).( 32 ) 、rln+l 实际阻尼值与临界阻尼值之比。而临界阻尼值为振与未振临界状态下物体所具有的阻尼。阻尼比是对数衰减率的函数，它们关系式为zu=扩2111归(arctg(A/2的). . .叫33) 当A很小时，近似有z3.3.3 回弹率rebound resitience R (无量纲)A u=一(34 ) 2n: 连续冲击后达到稳定状态时，冲
6、击试样的击锤的输出能量与输入能量之比。4 试验机的一般介绍试验机可以在应力振幅或应变振幅、频率和温度的各个不同范围内产生冲击式的运动或周期性的振荡。试验机大致分类如下:8. 按运动类型分为:共振式的周期振荡型;非共振式的周期振荡型;旋转脉冲式变形;阻尼自由振荡型。b. 按所施加的作用量分为:应变型;应力型;能量型。c. 按所包括的频率范围分为:静态及低频，小于1Hz;中频.1100Hz; 高频，大于100Hz。5 对试验机的要求本标准只提出动态试验机的一般要求。总的来说，仪器的结构应当坚固而紧密。而且，在试验频率范围内，动态响应不得受仪器本身的共振作用或真他内、外振源等杂散振动的影响。仪器产生
7、的振动振幅和频率都应当是恒定的，需要时它们还可以调节。试验机应装备机械式或光电式或电子式的读数或记录装置，不论哪一种都应当是线性的而且具备足够的灵敏度s读数或记录装置不应当受外界因素如温度等的影响。如果不在室温进行试验，则至少应在试样夹持部分安装恒温室，并装有便于操作的测温系统。带指示装置或记录装置的内接及外接热电偶或热电阻是适用的测温系统。8 GB 9870- 88 6 标准的试验参数由于弹性体复杂的粘弹性能，动态试验结果对试验条件如温度、频率、作用力或形变振幅有强烈的依赖性(见附录。因此，试验条件应当既要规定应力或应变振幅，又要规定平均应力或应变。试验的标准条件应当与本条的规定一致，6.1
8、 温度(C)标准温度由下列值选择z一70，-55，-40，一10，0，+23，十27，+40，十55，+70，+邸，+100，+ 125 , + 150, + 175，十200，+225 , +250 试样中任何位置的温度与标准温度之差不得大于规定的容许差。一般情况下温度的容许差是土20C，但在转变温度附近容许盖应是土O.50C;在高频或高振幅下，瘟度容许差可以大于士20C。6.2 应变和应力的形式和类型所施加的应变或应力最好是正弦波形式，而且最好是剪切应变及应力。但如果材料是各向同性的，用法向应变或应力也是允许的。施加在试样上的正弦应变或应力，其谐波畸变应尽可能低，而且任何时候这种畸变都不能
9、大于应变或应力值的10%。动态应力或应变可以叠加在任何水平(包括零)的平均应力或应变上。施加的应变或应力的允许形式还有以小于1的对数值衰减的阻尼自由振荡、周期性的半正弦波及冲击式波等。6.3 频率和振幅频率、应变振幅及应力振幅的范围可以达到几个数量级，它们的数值与试验对象有关。因此，这些试验参数宜用对数表示并以对数形式变化。在此提出试验参数系列供采用参考。系列两端可以乘10的正幕或负罪使参数向两边扩展。系列A:1;10 系列B:l;3;10系列C:1;2;5;10系列D:1;1.5;2;3;5;7;1 0 6.3.1 频率侣。频率的容许差是数值的士2%。本标准不考虑500Hz以上的试验。6.3
10、.2 应变振幅(无量纲)应变振幅的容许差是数值的土5%。6.3.3 应力振幅(Pa)应力振幅的容许差是数值的士5%。6.4 平均应变或平均应力(预负荷预负荷的方向不受应力或应变方向的限制，而预负荷值及容许差的选择与交变应力或应变相同。6.5 单点试验标准参数如果需要一套参数作为校正试验使用，则参数值规定如下z温度:700C施加的应变类型z正弦剪切频率:10Hz Jitl变振幅;0.06平均:09 GB 9870- 88 7 试样理想的试样要求是，试样的应力和应变分布均匀，温度分布均匀。但这种理想状况是难以达到的。因此，要选择一定的试样形状，并且用解析的方法对试验结果进行修正。由于试样的形状和尺
11、寸与试验机的灵敏度范围有关，因此，本标准推荐了六种试样，但不规定具体尺寸。同时，本标准还对试梓制备方法提出总要求。7. 1 试样制备按GB527的规定制备试样。试样一般用模型硫化。对两端粘有金属片的试样，应当用硫化型的粘合剂。如果从操胶制品中裁切和打磨试样，则应当用冷粘合剂。试样内部硫化要均匀，试样与金属片之间粘合剂的厚度应当在0.05mm以下。7.2 试样的形状及应变类型7.2. 1 形变分析本标准根据橡胶的弹性统计理论，对试样形变作一级近似分析。以下仅列弹性分量的应力应变关系式。参考附录B可得损耗分量的类似关系式。对剪切型试样，应力应变关系式为z式中:T一一剪切应力;G一-剪切模量zy一-
12、剪切应变za一一形状因子。对拉伸型试样，应力应变关系式为:式中t一一初始截面上的法向应力;实际长度L拉伸比，即初始长度Lo=，Gy( 35 ) =.E(-1) ( 36 ) 在1附近(在0.8至1.2之间)时，(36)式适用。附录B详细说明形变分析。7.2.2 不均匀变形的形状因子对不均匀的形变，应当利用形状因子对模量值进行修正。7.2.3 推荐动态试验的试样形状及形状因子试样尺寸与试验机的灵敏度范围有关，因此不作具体规定。但为保证硫化均匀，要求试样厚度不得大于12mm。7.2.3.1 长方体形剪切应变试样试祥底边为b，是正方形;高为hob=仙，剪切力施加在试样的正方形面上，力的方向与正方形的
13、边平行。利用式(35)(见7.2. 1) ，其形状因子现=1. 0。因此、=的。7.2.3.2 圆柱形剪切应变试样试样半径为T，高为h，T= h。剪切力施加在圆柱体的上下底面上，并与直径平行。利用式(33)(见7.2.口，其形状因子，=0.9，因此，=O.9Gy。7.2.3.3 长方体形法向应变试样试样底边为b，是正方形，高为h。法向力作用在试样的两个正方形面上，力的方向与高h平行。利用式(36)(见7.2.1)，当b=h，在的有限范围内，形状因子，=1. 1，坦1.1E(-n当b=缸，在的有限范围内，形状因子负=. 5， . 5E( -1)。7.2.3.4 圆柱形法向应变试样10 GB 98
14、70-88 试样半径为r，高为h，r=专。法向力作用在圆柱体的上下底面上，并且与高h平行。利用式(36)(见7.2.1)，在的有限范围内，形状因子也=1. 1， 1. 1E(一1)。7.2.3.5 棒状拉伸应变试样试样截面为正方形时，边长如为b，试样长为l，l=8b;截面为圆形时，半径如为r，试样长为l，l=衍。利用式(36)(见7.2.1)，在的有限范围内，形状因子现=1. 0，E(一1)。7.2.3.6 条状扭转形变试样试样截面为短形时，宽为b，厚为h，试样长为l，l注10b。形状因子卢1。如果b二三拙，扭矩为Q，扭转角为，模量由近似式(37)求g3Ql G=-, ( 37 ) 嘎( O.
15、 63h 2M 1一一厂j如果b拙，应当用更精确的公式。试样截面为圆形时，圆半径为r，试样长为lol注10r，形状因子钱=1。当扭矩为Q，扭转角为时，模量由式(38)求出28 试样调节8. 1 试样的保存2Ql G=一(38 ) r. 硫化与试验之间的时间间隔按GB2941的规定执行。8.2 调节试样在试验前一定要置于GB2941所规定的标准室温度下。试样尺寸的测量及检查等全部工作都应在该温度下进行。8. 3 结构的重排在试样上至少脑加六个周期的应力后才能进行动态测试，这种机械调节的目的是使内部结构重排以达到平衡，消除历史影响，保证结果的再现性。8.4 温度试样应在试验温度下调节足够的时间，以
16、达到内部温度分布均匀。在低振幅和低频条件下，不会由于滞后引起标准温度的变化超过容许差，所以不需要限制施加应力到读数之间的时间p在高振幅和高频条件下，可以在没超过温度容许差的短时间内快速读取数据(瞬时法)，也可以待温度达到平衡后读取数据(稳态法)。后一方法的试样应尽量小，而且应当借助于适当的温度传感元件测出试样的平均温度及不同位置的温度偏差。稳态法在测定材料的基本性能时还不够理想，多用于产品及样品的测试。当振幅和频率高到足以引起试样的早期破坏时，就只能用瞬时法。这时，测试过程需要专用的记录仪。8.5 疲劳破坏及材料损坏长时间的重复变形及高温都易产生疲劳破坏及材料的损坏，从而极大地影响动态性能的测
17、定值。这种影响不属于本标准的讨论范围，但在动态试验条件的选择中要注意和避免这种现象。8.6 试验程序如果用一个试样做一套以上的试验，测量要从最低苛刻度开始，然后逐步转向较大的振幅和较高的频率。在不同温度下做试验时，先把恒温室温度调到最低试验温度，在该温度下测定后再升温。对任何一套试验条件，无论初调时还是试验中间，除了微调动作或其他有计划安排的步骤，一般不允许应变振幅超过规定值。如果某种处理或该处理与其他处理的交互作用对结果的影响还不清楚，则应当进行系统研11 GB 9870-88 究以定量确定这种影响。在低温下试验时，要注意由于结晶作用引起的可能变化。9 试验数据处理关于冲击型试验机及阻尼自由
18、振荡试验机的数据测定及计算可详见相应的标准GB1681及GB 7042。本标准主要介绍强迫周期振荡试验机的测定和计算。9.1 共振式试验机一般测定共振时的频率、振幅及共振时的驱动力。为计算模量，还需要确定与共振对应的是最大作用力振幅、最大变形振幅还是最大贮存能。9.2 非共振式试验机在周期性应力应变后(见8.3条)，试验机最好能描绘应力应变滞后环。虽然在大应变时，滞后环可能不是椭圆的(见图4)。但通常把畸变的滞后环等价为具有同样的应力及应变振幅、同样面积、相等损艳能的椭圆曲线(见图5、图的。根据上述分析，并已知式(27)，可得G = ltTr. =兰;HHH-HH-u. .( 39 ) 3唁伊
19、伫=4 =叮斗叫s剖归i讪n-11土) .川.Ha飞.Y.I 如图5、图6所示。式中t一应力振幅p比-一应变振幅;A-一滞后环面积。如果仪器不能描绘滞后环，则要求仪器能测量应力振帽、应变振幅及它们之间的相位差角。并通过式(18)、(16)及(17)可求出G*，G及矿。以上剪切模量的公式同样适用于形变在一定范围内的法向模量。10 试验报告12 试验报告应包括以下内容a. 样品及其历史情况的说明;b. 试样的制备方法2硫化、裁切等;c. 如果试样两端粘在金属片上，说明枯接方法;d. 试样的环境调节条件E时间、温度等;e. 试样的机械调节条件zf. 试验机的类型zg. 试验方法Fh. 试样的形状及尺
20、寸sj. 试样数量Fk. 应变类型pm. 试验条件z频率，温度，应变、应力或输入能的波形和振幅及它们的容许差sD. 仪器的开始工作状态及其他的特殊试验步骤Fp. 数据处理方法及近似计算的假定等Fq. 试验结果，对剪切应变表达为G，G或r及tg;对法向应变表达为E，E或r及tg;L 试验日期。A1 弹性体结构的一般概念GB 9870- 88 附录A基本概念(补充件)弹性体由长链分子构成。在玻璃化转变温度以上，分子链的链段可以相对于邻近链段运动并同时由于热运动使分子在位置上振动。长链分子互相缠绕而且在较大的间隔距离产生交联，形成可变形的连续网。无应变的分子具有最大的摘。这就是说，它们卷曲起来具有最
21、大的无规性。外力减少了这种无规性，因而减少了惰，这是由于外力减少了分子的可能构象。交联网有回到初始状况的趋向，因而材料表现出可逆的应力应变行为。A2 弹性体的帖弹性由上述概念的近似处理得到，剪切模量与单位体积的分子链数及绝对温度成正比。这类橡胶弹性局限于严格平衡状态或可逆状态下的无定形网。当加入填料特别是大量填料时，这类橡胶弹性将发生变化。对于链之间的交换力产生了有序或结晶结构的高聚物，大应变下模量的计算将偏离简单弹性理论。外应力改变了弹性体受影响的体积中每个链的构象，产生了相邻链节的协同运动。类似液体中的粘性损失，这种运动也包含了能量损失或滞后损失。弹性体的粘性受分子量、分子自由体积、温度及
22、形变速率的影响。B1 弹性分量由橡胶弹性理论导出以下关系式z附录B应力和应变之间的关系(补充件)G(?一彷)= u，一3( Bl ) G(均一D=吨一3( B2 ) 式中:时、内和时一一参照实际截面求出的主应力;1.)，2和h一一应变与无应变的试样尺寸之比(伸长比); G一一剪切模量。对均匀的简单剪切应变，式(Bl)、(B2)变为z. = Gy ( B3 ) 式中ze一一弹性剪切应力;%一一-剪切应变。对线性拉伸或压缩，式(B3)变为:民=G(一去). . . . . . . ( B4 ) 式中ze一一参照初始截面求出的弹性应力。13 GB 9870- 8 8 当儿在O.7至1.3范围时，式。
23、的可近似化简为:民=3G与1.(如设e=-1，且已知E= 3G，E为杨氏模量，G为剪切模量，则式(B5)变为z-1 = E: : = E一一一-(时)1十E根据7.2.1，在0.8至1.2之间，则应力应变的非线性可完全不考虑，式仰的变为:.=Ee=E(-l) B2 粘性分量牛顿流体关系式在一级近似条件下成立，粘性剪切应力v正比于剪切应变的时间导数:v = YJY ( B8 ) 式中比例系数可就是粘度。类似情况，粘性法向应力v有以下关系式zv = 3(削)B3 形状因子如果应变在整个试样中不是均匀的、上述关系式只适用于局部情况。这时要用形状LJ-;Jr补f:-.il中形变的非均匀性。形状因子最初
24、的定义是应变面与无应变面或横截面与侧面的面积之比，的米采Jlj( 与试样形状有关的函数形式钱，也称为形状因子。从而式(B3)、(B7)、倍的、(B9)分别改;也:Cl 反复应蛮的影响及时间效应.=，Gy( B 1 ) ) ，=，E(儿一1)=现3G(一1)( Bll ) v =，1Ji( B 12 ) ，=，31( B13 ) 附录C动态性能对试验条件的依赖性(参考件)由于各种原因，反复应变及应变需用的时间常常引起动态性能的持续变化。试验初期，由于瞬时粘弹行为或弹性体与填料之间的重排现象，动态性能可能迅速变化应力软化)。对欠硫胶料或大量填充补强剂的胶料，这种现象尤其强烈。最初的几条滞后环不闭合
25、而且畸变严重，以后逐渐达到稳态，滞后环闭合。同时，试样本身的平均应变或平均应力也逐渐达到平衡。滞后环的这种形状与位置的漂移或变化现象称为环蠕动。滞后损失引起温度升高，温度升高又使试验结果不断变化。在试验时，需要过一段时间才能达到稳定状态，但这个过程往往会使试样内部温度过高，而且也引起温度分布的不均匀。在大振幅和高频率条件下，试样内部瘟度可能超过安全班围，甚至出现解聚和融熔，引起试样的早期破坏。即使不采用这种极14 GB 9870- 88 端条件，但动态试验时间较长，也会产生疲劳现象，从而使测定的动态试验结果棍入了疲劳的结果，有时还会产生可见的裂纹。由上可知，动态性能易受试验条件的影响，而不是一
26、个不变的量。对标准方法来说，为使试验结果具有耳比性，应当注意试验初期和长期由于重排产生的变化，还应当防止疲劳现象的产生。要限制温度的升高还要注意控制试验温度及容许差，保证试样中温度分布的均匀性。C2 模量与应变振幅的关系无填充剂胶料的弹性模量G与应变振幅的关系很少，但高含量补强剂的胶料G对应变振幅有显著的依赖性。这是造成滞后环及共振曲线非线性的原因。这种依顿性可表达为函数形式:地(_)/云产了=f (lgy.) 19 去) ( Cl ) 式中:G。、Goo一一很低应变及很高应变的弹性模量;f(lgy.)一一连接两端值的平滑的S形经验函数曲线。实际应用时，当应变Y.范围在O.03至0.5时，模量
27、G可由式(2)计算zG = Gol且).(C2 ) 飞Y.oI 式中:Go= G(YaO)-低参照应变Y.o的模量3n一一用经验方法测定的衡量应力应变关系非线性程度的指数。现的值可以从零变到0.5，无填充剂胶料，n=、0;高碳黑含量的胶料，n= 0.5;典型的胎面胶，n= 0.3。与上述类似，对无填充剂的硫化肢，G也与应变振幅无关;对加填充剂的硫化肢，G有应变振幅的依赖性。G(的依赖性关系比G复杂，通常在中等应变振幅时，G出现最大值。C3 模量对温度和频事的依赖性弹性体的力学性能与介电性能一样，泪度与频率的影响相反。就是说，温度升高产生的模量变化与频率降低产生的模量变化一致，反之亦然。在试验基
28、础上总结的时间温度对应原理是温度与频率互相换算的基础。在广泛的频率范围测定橡胶的动态性能需要不同结构的多种仪器，如果在广泛的温度范围内测定动态性能就比较容易做到。根据时间温度对应原理，利用公式(C3盯)及(何C4)可以把频率为f，绝对温度为T，密度为条件下测定的弹性体模量转换为绝对温度为Tr川，密度为向的折合模量G叽F宫=G (Prr . . . . .川. . . . . . . . .川.川.川. . .川. .川.川. .川. . . . . . . . . . . . . . . . . ., . .(C 3们) 、1I G飞=G(企;) .( C川、lI 把折合模量Gr和G飞对19f
29、画圈，形成一组曲线，每一条曲线对应一个温度T。每条曲线沿横坐标轴平移量19ar，lgar由WLF公式求出z式中:To一一参比温度。式(C3)、化的中的Tr不一定等于To。19ar一-Gj(T-To) . ( C5 ) C2 + (T -To) WLF公式有多种形式，式(C的是比较简洁通用的、与弹性体特性无关的形式。a伊-17(T- Tg) 52十(T- Tg ) . ( C6 ) 15 GB 9870- 88 式中:T.-低频下(用膨胀忡法)测定的玻璃化转变温度。由于结晶和填充状态的存在，应甩WLF公式受到一定限制。此外，式(C6们的应用必须慎重和温度范围广时，描述大范围的性能变化式(何C6们
30、)是适用的F然而在有限自的甘频率或温度范围，使用式(C6们) 将会引起较大的误差。16 附加说明z本标准由中华人民共和国化学工业部提出。本标准由化工部橡胶工业研究设计院归口。本标准由化工部橡胶工业研究设计院负责起草。本标准主要起草人郑亚丽。1OK阁。华人民共和国家标准弹性体动在试验的一般要求GB 9870-88 国中 中国标准出版社出版北京复外三里问中国标准出版社北京印刷厂印刷新华书店北京发行所发行各地新华书店经售版权专有不得翻印* 开本880X12301/16印张1汉字数320001989年8月第一版1989年8月第一次印刷印数1一3500* 定价。.90元标自114一27书号:155066 -1-6306
