Пластические и эластические свойства

Пластичностью называется способность материала легко де­формироваться и сохранять форму после снятия деформирующей нагрузки. Иными словами, пластичность — это способность мате­риала к необратимым деформациям.

Эластичностью называется способность материала легко дефор­мироваться и восстанавливать свою первоначальную форму и раз­меры после снятия деформирующей нагрузки, т. е. способность к значительным обратимым деформациям.

Эластическими деформациями, в отличие от упругих, называют­ся такие обратимые деформации, которые характеризуются значительной величиной при относительно малых деформирующих усилиях (низкое значение модуля упругости).

Пластические и эластические свойства каучука проявляются одновременно; в зависимости от предшествующей обработки кау­чука каждое из них проявляется в большей или меньшей степени. Пластичность невулканизованного каучука постепенно снижается при вулканизации, а эластичность возрастает. В зависимости от степени вулканизации соотношение этих свойств каучука посте­пенно изменяется. Для невулканизованных каучуков более харак­терным свойством является пластичность, а вулканизованные каучуки отличаются высокой эластичностью. Но при деформациях невулканизованного каучука наблюдается также частичное восста­новление первоначальных размеров и формы, т. е. наблюдается некоторая эластичность, а при деформациях резины можно наблю­дать некоторые неисчезающие остаточные деформации.

Согласно теории, разработанной советскими учеными А. П. Александровым и Ю. С. Лазуркиным, общая деформация каучука и резины состоит из трех составляющих: 1) упругой де­формации, подчиняющейся закону Гука, jу; 2) высокоэластической деформации jв и 3) пластической деформации jп:

j = jу + jв + jп

Соотношение составляющих общей деформации зависит от при­роды каучука, его структуры, степени вулканизации, состава ре­зины, а также от скорости деформаций, значений создаваемых на­пряжений и деформаций, длительности нагружения и от темпера­туры.

Упругая деформация практически устанавливается мгновенно при приложении деформирующего усилия и также мгновенно исче­зает после снятия нагрузки; обычно она составляет доли процента от общей деформации. Этот вид деформации обусловлен неболь­шим смещением атомов, изменением межатомных и межмолеку­лярных расстояний и небольшим изменением валентных углов.

Высокоэластическая деформация резин увеличивается во вре­мени по мере действия деформирующей силы и достигает посте­пенно некоторого предельного (условно-равновесного) значения. Она так же, как и упругая деформация, обратима; при снятии на­грузки высокоэластическая деформация постепенно уменьшается, что приводит к эластическому восстановлению деформированного образца. Высокоэластическая деформация, в отличие от упругой, характеризуется меньшей скоростью, так как связана с конформационными изменениями макромолекул каучука под действием внеш­ней силы. При этом происходит частичное распрямление и ориен­тация макромолекул в направлении растяжения. Эти изменения не сопровождаются существенными нарушениями межатомных и меж­молекулярных расстояний и происходят легко при небольших усилиях. После прекращения действия деформирующей силы вследствие теплового движения происходит дезориентация молекул и восстановление размеров образца. Специфическая особенность

механических свойств каучуков и резин связана с высокоэластической деформацией.

Пластическая деформация непрерывно возрастает при нагружении и полностью сохраняется при снятии нагрузки. Она характер­на для невулканизованного каучука и резиновых смесей и связана с необратимым перемещением макромолекул друг относительно друга.

Скольжение молекул у вулканизованного каучука сильно за­труднено наличием прочных связей между молекулами, и поэтому вулканизаты, не содержащие наполнители, почти полностью восстанавливаются после прекращения действия внешней силы. На­блюдаемые при испытании наполненных резин неисчезающие де­формации являются следствием нарушения межмолекулярных связей, а также следствием нарушения связей между каучуком и компонентами, введенными в нею, например вследствие отрыва частиц ингредиентов от каучука. Неисчезающие остаточные деформации часто являются кажущимися вследствие малой скорости эластического восстановления, т. е. оказываются практически исчезающими в течение некоторого достаточно продолжительного времени.

Твердость резины

Твердость резины характеризуется сопротивлением вдавлива­нию в резину металлической иглы или шарика (индентора) под действием усилия сжатой пружины или под действием груза.

Для определения твердости резины применяются различные твердомеры. Часто для определения твердости резины использует­ся твердомер ТМ-2 (типа Шора), который имеет притупленную иглу, связанную с пружиной, находящейся внутри прибора. Твер­дость определяется глубиной вдавливания иглы в образец под дей­ствием сжатой пружины при соприкосновении плоскости основа­ния прибора с поверхностью образца (ГОСТ 263—75). Вдавлива­ние иглы вызывает пропорциональное перемещение стрелки по шкале прибора. Максимальная твердость, соответствующая твер­дости стекла или металла, равна 100 условным единицам. Резина в зависимости от состава и степени вулканизации имеет твердость в пределах от 40 до 90 условных единиц. С увеличением содержа­ния наполнителей и увеличением продолжительности вулканиза­ции твердость повышается; мягчители (масла) снижают твердость резины.

Теплостойкость

О стабильности механических свойств резины при повышенных температурах судят по показателю ее теплостойкости. Испытания на теплостойкость производят при повышенной температуре (70 °С и выше) после прогрева образцов при температуре испытания в те­чение не более 15 мин (во избежание необратимых изменений)

с последующим сопоставлением полученных результатов с резуль­татами испытаний при нормальных условиях (23±2°С).

Количественной характеристикой теплостойкости эластомеров служит коэффициент теплостойкости, равный отношению значений прочности при растяжении, относительного удлинения при разрыве и других показателей, определенных при повышенной температуре, к соответствующим показателям, определенным при нормальных условиях. Чем ниже показатели при повышенной температуре по сравнению с показателями при нормальных условиях, тем ниже коэффициент теплостойкости.

Полярные каучуки обладают пониженной теплостойкостью. На­полнители значительно повышают теплостойкость резин.

Износостойкость

Основным показателем износостойкости является истираемость и сопротивление истиранию, которые определяются в условиях ка­чения с проскальзыванием (ГОСТ 12251—77) или в условиях скольжения по истирающей поверхности, обычно, как и в преды­дущем случае, по шлифовальной шкурке (ГОСТ 426—77).

Истираемость a определяется как отношение уменьшения объема образца при истирании к работе, затраченной на истирание, и выражается в м³ /МДж [см³ /(кВт.ч)]. Сопротивление истиранию b определяется как отношение затраченной работы на истирание к уменьшению объема образца при истирании и выражается в МДж/м³ [см³/(кВт.ч)].

Истирание кольцевых образцов при качении с проскальзыва­нием более соответствует условиям износа протекторов шин при эксплуатации и поэтому применяется при испытаниям на износо­стойкость протекторных резин.