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2.4 橡胶材料的常用性能

乘用车上选用橡胶材料时,首先要考虑零件的使用环境(温度、介质)和工作条件(应力、振动),这是选择橡胶材料类型的基本原则;其次,橡胶类型定义后,就需要考察材料的性能是否满足要求。以下介绍橡胶材料的主要性能评价项目。

2.4.1 硬度

硬度是表征橡胶材料刚性的重要指标,即测定橡胶试样在外力作用下橡胶对压针的抵抗能力。橡胶硬度试验方法和仪器很多,通常按照施加负荷原理的不同,仪器结构分为二大类型,一是弹簧式硬度,如邵氏硬度;二是定负荷硬度,如国际硬度、赵氏硬度等。目前,车用橡胶材料硬度通常采用邵氏硬度和国际硬度两种方法表征。

1. 邵氏硬度

邵氏硬度是目前应用比较广泛的一种硬度,一般分为A、C、D等几种型号。A型适用于测量软质橡胶,C型是测半硬质橡胶,D型是测硬质橡胶硬度,当邵尔A硬度值高于90时应选择邵尔D硬度。邵氏硬度测试参考标准为GB/T 531.1或ISO 7619-1,测试时要注意以下几点:

1)硬度计的测量范围,一般在20~90之间,如超过范围应更换表头。

2)试样厚度不小于6mm,如果试样厚度不够,可以多层叠加,但不能超过3层。

3)不同测试位置间距不小于6mm,与试样边缘的距离不小于12mm,以保证压足能和试样在足够面积内进行接触。

2. 国际硬度

国际硬度计分为常规型、微型和袖珍型三种,可满足不同规格零件的需求。常规型试验方法多用于规范试验、仲裁试验等,微型试验方法多用于薄型制品、O形圈等样品检测,袖珍型一般用于生产现场等。国际硬度测试参考标准为GB/T 6031或ISO 48、ISO 7619-2(袖珍型),测试时要注意以下几点:

1)压头的直径 不同类型的硬度测试选取的压头也不同,不同类型硬度压头直径见表2-6。

2)接触力 常规型接触力规定为(0.30±0.02)N,微型接触力规定为(8.3±0.5)N,袖珍型没有明确规定接触力,规定了测试时弹簧压入力为(2.65±0.15)N。

3)试样厚度 常规型测试采用厚度为8~10mm(低硬度硫化橡胶为10~15mm)的标准试样,微型测试采用厚度为(2±0.5)mm,袖珍型测试厚度至少6mm。一般,硬度值随试样厚度增加而减少,且硬度值随试样厚度变化明显,因此对不同类型的硬度测试,应严格按标准中要求进行。

4)测试仪器 三种类型的国际硬度计的主要部件尺寸和作用力见表2-6。

表2-6 三种类型国际硬度计的主要部件尺寸和作用力对比

① 表中微型硬度计作用力单位为mN。

邵氏硬度及国际硬度是两种长期并存的两种测试方法,各有优缺点。邵氏硬度的优点是仪器携带方便,方法简单,缺点是测试过程中由于设备原因(如弹簧力校正不准确或压针磨损)或操作原因(如读数时间差异)等可能造成较大的试验误差。与邵氏硬度相比,国际硬度测试误差较小,因此,在规范试验或仲裁试验时,推荐采用国际硬度。

2.4.2 拉伸强度

拉伸强度是表征橡胶材料能够抵抗拉伸破坏的能力,是衡量和评价橡胶材料力学性能的主要指标之一,在硫化橡胶力学性能中占有重要地位。对于车用橡胶件来说,使用过程中承受的力主要为压缩力,因此,多数场合下拉伸强度并非是关键的使用性能指标。拉伸强度测试参考标准为GB/T 528或ISO 37,测试时要注意以下2点:

1)拉伸试样一般采用哑铃型,由于橡胶材料本身有较大的伸长率,考虑到试验的操作性,建议选用2型试样。

2)试验速度一般采用500mm/min。

2.4.3 撕裂强度

撕裂是由于材料中存在的裂纹或裂口受外力作用时缺陷迅速扩大而导致破坏的现象,撕裂强度是衡量橡胶材料抵抗裂纹或裂口等缺陷能力的指标。撕裂强度测试与试样形状、拉伸速度、试验温度和硫化橡胶的压延效应有关。撕裂强度测试参考标准为GB/T 529或ISO 34,测试时要注意以下2点:

1)撕裂强度测试试样主要有三种类型:裤形试样、直角形试样(割口或无割口)和新月形试样。应根据产品的不同特点选择试样类型,如车用胶管多采用裤形试样,考虑模拟缺陷情况采用带割口试样,一般产品多采用直角形试样。

2)割口要在试样的内角顶点,深度为(1.0±0.2)mm,试验速度一般采用500mm/min。

2.4.4 压缩性能

压缩性能是衡量橡胶材料回弹性和密封性的指标,也是车用橡胶材料最重要的性能指标之一。目前,常用来表征压缩性能的测试项目是压缩永久变形和压缩应力松弛。压缩永久变形是指橡胶材料在受不同压缩量的时候抵抗永久变形的能力,压缩应力松弛是指橡胶材料在受恒定应变作用时,保持该应变所需的力不是恒定不变的,而是随着时间的增加而降低。前者重点考察压缩量的变化,后者侧重考察应力的变化,也更接近零件的实际使用工况,应用也越来越广泛。

压缩永久变形测试标准参考GB/T 7759或ISO 815,测试时要注意以下3点:

(1)压缩量的选取 标准推荐了25%、15%和10%三种压缩量,应根据产品硬度不同进行选取。通常情况多选用25%的压缩量,也可以根据实际的使用工况定义测试需要的压缩量,一般最大不超过50%。

(2)试样的选取 标准中有A型和B型两种规格,不同尺寸的试样压缩的难易程度不同,通常情况多选用A型试样,如采用零件取样的方式,考虑取样的难易程度,可选用B型试样,不同规格的试样结果不具对比性。

(3)根据零件的实际使用环境 应分别对应考察材料的高温、低温和常温不同环境条件下的压缩永久变形。

压缩应力松弛测试标准参考GB/T 1685或ISO 3384,测试时要注意以下3点:

(1)压缩量的选取 不同于压缩永久变形,压缩应力松弛测试多以实际工况时零件的压缩量为准,选取初始压缩量时的作用力起始值,记录不同时间点时的作用力,绘制应力松弛曲线,通过曲线可以直观地看出,随着时长增加应力松弛衰减情况趋于稳定。如图2-15所示,某材料的应力松弛曲线图。

图2-15 某材料的应力松弛曲线

(2)试样的选取 标准中有圆柱形和环形试样两种,测试时,试样类型的选取应参考零件的形状,如O形密封圈可选用环形试样,缓冲块类可选用圆柱形试样。

(3)根据零件的实际使用环境 应考虑不同温度(高、低温)和不同介质条件下的应力松弛。

2.4.5 老化性能

橡胶材料或制品在储存和使用过程中,由于受热、光、氧等外界因素的影响使其发生物理或化学变化并导致性能下降的现象,统称为橡胶的老化。老化是制约橡胶材料或制品正常使用的重要因素,也是橡胶材料或制品长期使用过程中不可避免的。因此,对橡胶老化性能的评价、老化机理及老化防护等方面的研究也一直是橡胶工业的重点方向。

橡胶老化的表现形式主要有:表面变色、喷霜、发黏、龟裂或微裂纹、发脆变硬等,不同种类橡胶的老化现象不同,常见橡胶老化表现形式如表2-7所示。

表2-7 常见橡胶老化表现形式

目前,评价橡胶老化性能的方法主要有热空气老化和臭氧老化,前者侧重考察老化对橡胶性能的影响,后者侧重考察老化对橡胶制品表面的破坏情况。

热空气老化测试标准参考GB/T 3512或ISO 188,测试时要注意以下2点:

1)要求测试设备 有换气功能,保证设备内部循环空气质量。

2)不建议不同种类的橡胶材料放在同一个老化箱里进行试验,并且各试样间应保持足够的空间,不可互相接触。

臭氧老化试验包括静态拉伸和动态拉伸两种试验方法,静态拉伸标准参考GB/T 7762或ISO 1431-1,动态拉伸标准参考GB/T 13642或ISO 1431-2,测试时要注意以下3点:

1)臭氧浓度的选取。标准中推荐的浓度有(25±5)×10 -8 、(50±5)×10 -8 、(100±5)×10 -8 、(200±5)×10 -8 ;如有需要,也可选用其他更高的浓度。对于车用橡胶材料,通常选取(50±5)×10 -8 的浓度来考察材料,部分零件所处环境实际臭氧浓度较高的,选取(200±5)×10 -8

2)伸长率的选取。标准中推荐的伸长率从5%~80%,结合车用橡胶实际应用工况,伸长率通常选取20%,对于动态拉伸方法,动态拉伸循环时的最大伸长率一般选取10%。

3)试样的选取。推荐试样尺寸100mm×10mm×2mm,两种试验方法均适用。

2.4.6 低温性能

橡胶材料的老化通常用来衡量其耐高温性能,在实际使用工况环境中,还需重点关注橡胶材料在低温环境下性能的变化。高温环境下,橡胶材料可能发生分子链断裂、发白和老化等不可逆变化,对橡胶的破坏是永久性的,而低温环境对橡胶材料性能的影响多数是可逆的,即随着温度的升高,材料的性能会逐渐恢复。因此,对于橡胶材料而言,低温环境条件下更多的是关注其硬度、弹性和脆性等方面的性能,以评估橡胶材料的最低极限使用温度。

目前,考察橡胶的低温性能常用的试验项目有脆性温度和温度回缩法(TR试验),脆性温度测试有单试样法和多试样法,单试样法参考GB/T 1682,多试样法参考GB/T 15256或ISO 812;温度回缩法(TR试验)参考GB/T 7758或ISO 2921。

脆性温度测试时要注意以下3点:

1)单试样法和多试样法所规定的脆性温度不同,单试样法中规定试样受到冲击产生破坏时的最高温度,多试样法中规定试样不产生破坏的最低温度,两种测试结果不等同。

2)试样的选取,推荐试样尺寸25mm×6mm×2mm,两种方法均适用。

3)冷却介质,所选冷却介质不应对橡胶材料性能产生影响。

温度回缩法(TR试验)测试时要注意以下2点:

1)伸长率的选取,无特殊要求,通常选用50%;不同的伸长率,其试验结果不一定相同。

2)冷却介质。所选冷却介质不应对橡胶材料性能产生影响。

弹性是橡胶材料重要的性能之一,随着温度的降低,橡胶材料中可移动链段逐渐被冻结变脆,达到玻璃化温度后,橡胶由高弹态转变到玻璃态,橡胶变脆、失去弹性,导致其失去使用价值。因此对于橡胶材料而言,玻璃化转变温度( T g )通常作为衡量橡胶材料最低使用温度主要参考指标,常用橡胶材料的玻璃化转变温度见表2-8。

表2-8 常用橡胶材料的玻璃化转变温度

2.4.7 耐介质性能

汽车橡胶零部件在使用过程中,经常会接触各种介质(主要指液体介质和油脂类介质)。在长期与介质接触的情况下,会导致橡胶件硬化、软化及膨胀等现象。造成这种现象的主要原因是橡胶件内部出现抽出和溶胀,抽出是指橡胶中的各种软化剂、增塑剂和防老剂等小分子物质转移到介质中,溶胀是指介质分子渗透到橡胶分子结构中并逐渐扩散。正常使用情况下,抽出和溶胀应达到一个相对平衡的状态,若抽出多于溶胀,橡胶件则表现出硬化和体积变小,溶胀多于抽出,橡胶件则表现出软化、膨胀及体积增大。此外,有些介质还会和橡胶分子链发生反应,导致分子链断裂等,进一步恶化橡胶性能,因此对于橡胶耐介质性能的考察尤其重要。

目前,考察橡胶材料的耐介质性能常用的试验方法有GB/T 1690或ISO 1817,测试时应注意以下2点:

(1)介质的选取 主要应选取被测橡胶件实际使用工况时接触的介质,如制动液、冷却液或润滑脂等,如无法提供实际工况时的接触介质,应选取物性较接近的标准介质(如IRM 901油等),油类介质选取可参考苯胺点指标。

(2)性能评价项目 主要有质量变化、体积变化、硬度变化及拉伸性能的变化,根据橡胶件的实际情况确定评价项目。以油封件为例,需要重点评价硬度和体积的变化,若变化过大则会影响到密封性。

由于汽车整个系统涉及液体介质或油脂类介质较多,在测试橡胶材料耐介质性能时,很难完全做到使用实际工况接触的介质,为了统一测试标准,现在各国形成了很多标准油品,进行模拟实际使用时的油品,目前比较通用的标准油及其特点见表2-9。

表2-9 试验常用标准油

2.4.8 其他性能

除了上述介绍的橡胶材料通用性能评价项目外,还需要结合橡胶零部件的具体使用工况进行有针对性、差异性的性能测试评价。如缓冲块,需要重点考虑蠕变性能;如发动机悬置,需要重点考虑疲劳性能;如胶条,需要考虑耐磨性等。

蠕变是材料在保持应力不变的条件下,应变随时间增加而延长的现象。与塑性变形不同,塑性变形通常在应力超过弹性极限后才出现,而蠕变只要作用应力时间够长,即使应力小于弹性极限也会出现,蠕变是测定材料尺寸稳定性的常用方法,测量时间比较长,更接近使用条件,因此对于长时间承受应力的零件,考察材料的蠕变性能具有很大的实际意义。

蠕变测试有多种方法,根据材料实际使用工况,现比较常用的方法有拉伸蠕变、压缩蠕变、剪切蠕变、扭转蠕变和弯曲蠕变等,后两种在橡胶材料测试中应用较小。

疲劳是材料在周期性应力或应变的作用下,其结构和性能发生变化的现象。零件的使用寿命是从零件开始使用到丧失使用功能所经历的时间,悬置、减振等橡胶零件多是在动态变形情况下使用的,所以,橡胶的疲劳断裂往往决定着这些零件的使用寿命。因此,为了保证橡胶零件的使用安全性和可靠性,预测材料的动态疲劳破坏性能,具有重要的意义。

橡胶疲劳的试验方法目前有压缩屈挠试验、屈挠疲劳试验、伸长疲劳试验和回转屈挠疲劳试验。 wQqtKk5UveNecPyBTFr412u9IwaPO52cOLU00aha0bycUzsEQPh+qqNiVfaANC9l

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