Для чего применяют общие требования к динамическим испытаниям резины
ГОСТ 23326-78 распространяется на резину и устанавливает общие требования к методам динамических испытаний, предназначенных для определения упруго-гистерезисных характеристик материала.
Стандарт охватывает испытания при следующих видах деформации:
- сдвиг;
- сжатие;
- кручение;
- растяжение;
- ударное нагружение.
Документ не задает конкретные нормы для каждой марки резины, а устанавливает единые требования к форме образцов, аппаратуре, режимам нагружения, температурам и принципам обработки результатов.
Какие формы образцов используют при разных видах деформации
Форма образца зависит от вида деформации, типа динамического движения, способа крепления и должна указываться в нормативно-технической документации на резину или изделие.
Образцы для испытаний на сдвиг
| Форма образца | Геометрическое соотношение | Фактор формы Φ |
|---|---|---|
| Квадратная призма | Сторона основания в 4 раза больше высоты | 1,0 |
| Прямоугольная призма | Квадратное сечение в плоскости, перпендикулярной сдвигу; сторона основания в 3 раза больше высоты | 1,0 |
| Цилиндр | Радиус основания равен высоте | 0,9 |
Образцы для испытаний на сжатие
| Форма образца | Геометрическое соотношение | Фактор формы Φ |
|---|---|---|
| Квадратная призма | Сторона основания в 2 раза больше высоты | 1,5 |
| Цилиндр | Радиус основания равен половине высоты | 1,1 |
Образцы для испытаний на кручение
| Форма образца | Геометрическое соотношение | Фактор формы Φ |
|---|---|---|
| Полоска прямоугольного сечения | Ширина b ≥ толщины h, длина l не менее чем в 10 раз больше ширины | Зависит от геометрии |
| Цилиндр | Высота не менее чем в 6 раз больше радиуса основания | 1,0 |
Образцы для испытаний на растяжение
| Форма образца | Геометрическое соотношение | Фактор формы Φ |
|---|---|---|
| Стержень круглого или прямоугольного сечения | Длина не менее чем в 8 раз больше диаметра или ширины | 1,0 |
Образцы для ударного нагружения
По изменению № 1 для ударного нагружения применяют образцы в виде диска. Толщину диска выбирают из ряда:
- (2,0±0,2) мм;
- (4,0±0,2) мм;
- (6,3±0,3) мм;
- (12,5±0,5) мм.
Испытания проводят сферическим или круглым плоским индентором, который перемещается перпендикулярно к плоскости образца.
Какие типы динамического движения и нагружения допускает стандарт
Аппаратура должна обеспечивать несколько видов динамического движения:
- свободные затухающие колебания;
- вынужденные нерезонансные колебания;
- вынужденные резонансные колебания;
- ударное нагружение;
- вращение с пульсирующим смещением.
По виду динамического нагружения допускаются:
- гармонический режим;
- импульсный режим, включая полусинусоидальный и произвольной формы;
- затухающие колебания с логарифмическим декрементом смещения 1,0;
- периодические полусинусоидальные циклы и ударные нагрузки.
Какие параметры динамического режима задают при испытаниях
В зависимости от метода испытаний задаваемым параметром динамического режима может быть:
- деформация;
- напряжение;
- энергия.
Стандарт также выделяет параметры режима, которые должны быть описаны в документации на конкретный метод:
- амплитуда напряжения цикла;
- амплитуда деформации цикла;
- среднее напряжение;
- средняя деформация;
- частота циклов;
- симметричный или асимметричный цикл;
- знакопостоянный и знакопеременный цикл.
Диапазоны частот для динамических испытаний
Стандарт делит частоты испытаний на три диапазона:
| Диапазон | Частота |
|---|---|
| Низкочастотный | До 1 Гц |
| Среднечастотный | От 1 до 100 Гц |
| Высокочастотный | Свыше 100 Гц |
Наименьшая собственная частота машины должна быть не менее чем на порядок выше частоты испытания. Во время испытаний амплитуда деформации или напряжения и частота должны поддерживаться постоянными.
Требования к аппаратуре и точности регистрации
Регистрирующая аппаратура должна иметь линейные характеристики, а на ее чувствительность не должны влиять вибрации и температура испытания.
Допустимые погрешности при проведении испытаний:
- ±2 % — для частоты колебаний;
- ±5 % — для амплитуды деформации и амплитуды напряжения.
При методах вынужденных нерезонансных колебаний применяют машины с регистрацией гистерезисной петли. Допускается использование машин без непрерывной регистрации силы как функции деформации.
При методах свободных затухающих колебаний применяют машины с регистрацией затухающих колебаний во времени.
Температурные условия динамических испытаний
Для испытаний в широком температурном интервале машины должны быть снабжены термокриокамерами с автоматическим регулированием температуры.
Температура в испытательной камере должна поддерживаться с погрешностью:
- не более ±2 °C — в общем случае;
- до ±0,5 °C — вблизи температуры перехода из высокоэластического в стеклообразное состояние;
- не более ±3 °C — при температурах свыше 200 °C.
Температуру испытания выбирают из следующего ряда:
−75, −55, −40, −25, −10, 0, 20, 23, 27, 40, 50, 70, 85, 100, 125, 150, 175, 200, 225, 250 °C.
Если при больших частотах и амплитудах деформации образец разогревается выше заданной температуры, измеряют фактическую температуру образца и указывают это в протоколе испытаний.
Подготовка образцов и общая последовательность испытаний
Подготовку образцов выполняют по ГОСТ 269-66 и нормативно-технической документации на резины и резиновые изделия.
Для каждого конкретного метода параметры режима нагружения должны быть установлены в документации на материал или изделие.
Стандарт рекомендует в качестве предпочтительных испытания при деформациях и напряжениях сдвига, так как именно этот вид нагружения наиболее информативен для оценки упруго-гистерезисных свойств резины.
Когда применяют свободные затухающие колебания
Испытания при свободных затухающих колебаниях применяют в диапазоне 10⁻¹–10² Гц для резин, механические потери которых невелики. Критерием применимости служит логарифмический декремент затухания λ менее 1.
При таком методе могут применяться режимы:
- испытание при заданной максимальной амплитуде напряжения;
- испытание при заданной максимальной амплитуде деформации.
Частоту в узком интервале допускается изменять за счет размеров образца, дополнительной массы или дополнительной жесткости системы.
Когда используют вынужденные нерезонансные колебания
Методы вынужденных нерезонансных колебаний применяют в диапазоне 10⁻³–10³ Гц для резин, механические потери которых изменяются в широких пределах.
Они позволяют варьировать:
- частоту нагружения;
- амплитуду деформации;
- амплитуду напряжения.
Режимы при симметричном цикле
- испытание при заданной амплитуде деформации;
- испытание при заданной амплитуде напряжения.
Режимы при асимметричном цикле
- заданы среднее и амплитудное значение деформаций;
- заданы среднее и амплитудное значение напряжений;
- заданы среднее напряжение и амплитудное значение деформации;
- заданы средняя деформация и амплитудное значение напряжения.
Когда используют вынужденные резонансные колебания
Испытания при вынужденных резонансных колебаниях применяют в диапазоне 1–10³ Гц для резин с небольшими механическими потерями, когда тангенс угла механических потерь tgδ не более 0,4.
Для расчета динамических характеристик в этом методе определяют:
- резонансную частоту;
- амплитуду силы или смещения при резонансе;
- ширину резонансного максимума.
Особенности ударных динамических испытаний
Ударные испытания применяют в диапазоне 10¹–10³ Гц для резин с механическими потерями, изменяющимися в широких пределах.
Для расчета динамических характеристик при ударе необходимо знать:
- массу ударника;
- его положение до и после удара;
- размеры образца;
- длительность удара;
- максимальную деформацию образца.
По этим данным определяют, в частности, эластичность по отскоку и характеристики механических потерь.
Как учитывать последовательность испытаний по жесткости режима
Если один и тот же образец испытывают при нескольких значениях динамического параметра, испытания начинают с менее жестких условий, а затем переходят к более жестким, то есть к более высокой частоте и большей амплитуде.
Если образец испытывают при разных температурах, испытания начинают при низких температурах, затем переходят к более высоким.
Какие динамические характеристики использует стандарт
Для характеристики динамических свойств резины стандарт предусматривает широкий набор показателей.
| Показатель | Назначение |
|---|---|
| Динамический модуль упругости | Характеризует упругую составляющую отклика материала |
| Средний модуль | Используется для оценки среднего уровня жесткости |
| Модуль потерь | Характеризует вязко-гистерезисную составляющую |
| Комплексный модуль | Объединяет упругую и вязкую составляющие в одном параметре |
| Тангенс угла механических потерь tgδ | Показывает соотношение между потерями и упругостью |
| Угол механических потерь δ | Определяет фазовый сдвиг между напряжением и деформацией |
| Коэффициент механических потерь | Характеризует относительный гистерезис |
| Модуль внутреннего трения | Используется для оценки рассеяния энергии |
| Петля механического гистерезиса | Графически отражает потери энергии за цикл |
| Удельные механические потери | Определяют потери энергии за цикл в единице объема |
| Эластичность по отскоку | Применяется для ударных испытаний |
| Логарифмический декремент затухания | Характеризует затухание свободных колебаний |
Как рассчитывают характеристики при нерезонансных колебаниях
При больших деформациях форма петли механического гистерезиса может отклоняться от эллипса. В этом случае неэллиптическую петлю принимают эквивалентной эллипсу с той же амплитудой напряжения и деформации.
Для определения механических потерь за цикл вычисляют геометрическую площадь петли и умножают ее на масштабы по осям. Затем определяют:
- абсолютную величину комплексного модуля;
- динамический модуль упругости;
- модуль потерь.
Если полную петлю записать невозможно, используют амплитуды напряжения и деформации, а также угол механических потерь.
Фактор формы и его влияние на расчеты
Неоднородное распределение деформаций в образце учитывают фактором формы Φ, который зависит от отношения площади нагруженной поверхности к площади свободной поверхности образца.
При испытаниях на сдвиг динамический модуль упругости рассчитывают по составляющей напряжения сдвига, совпадающей по фазе с деформацией, и по фактору формы.
При линейном растяжении или сжатии динамический модуль упругости рассчитывают по составляющей нормального напряжения, совпадающей по фазе с деформацией, также с учетом фактора формы.
Как зависит результат от длительности, амплитуды, температуры и частоты
В справочном приложении стандарт отдельно рассматривает зависимость динамических свойств резины от условий испытания.
Влияние длительности испытания
В первых циклах динамические свойства могут заметно изменяться из-за неустановившегося вязкоупругого поведения и тиксотропии структуры наполнителя. Поэтому начальные циклы часто не принимают в расчет.
Влияние амплитуды деформации
Для ненаполненных резин зависимость динамического модуля и модуля потерь от амплитуды деформации выражена слабо. Для наполненных резин эта зависимость выражена значительно сильнее.
Влияние температуры и частоты
Повышение частоты динамического нагружения качественно эквивалентно понижению температуры. Это свойство лежит в основе метода температурно-частотного приведения, который позволяет строить обобщенные кривые динамического модуля.
Что должно быть в протоколе динамических испытаний
Протокол испытаний должен содержать:
- обозначение резины и условия вулканизации;
- форму и размеры образца;
- обозначение стандарта на метод испытания;
- тип машины;
- тип динамического движения;
- вид деформации;
- частоту испытания;
- амплитуду деформации, напряжения или энергии;
- температуру испытания;
- количество образцов;
- значения показателей динамических испытаний;
- дату проведения испытания.
Практическое значение стандарта для резинотехнических изделий
ГОСТ 23326-78 задает единую методическую основу для испытаний резины в реальных циклических режимах нагружения. Это особенно важно для изделий, работающих в вибрации, ударах, колебаниях и при переменной температуре.
Стандарт полезен при оценке:
- виброизоляторов;
- шин и протекторных смесей;
- амортизаторов и демпферов;
- уплотнений и резинометаллических элементов;
- изделий, работающих на усталость и гистерезисный нагрев.
Ссылочные нормативные документы
| Обозначение документа | Назначение в рамках ГОСТ 23326-78 |
|---|---|
| ГОСТ 269-66 | Подготовка образцов для испытаний |
| ГОСТ 12254-66 | Определение температуры стеклования для температурно-частотного приведения |
| МС ИСО 2856-81 | Международное соответствие общим требованиям к методам динамических испытаний |