橡胶材料力学性能试验方法研究

张启宵，贺占蜀，邵丽娜

（郑州大学机械工程学院，河南 郑州 450001）

1 实验装置

本次实验采用微控电子拉力试验机 （图1），其测力精度为B级。此实验机可测试的项目有：拉伸强度、撕裂强度、伸长率、拔出力以及接头连接强度等。试验机的行程为1.2 m，能够提供的最大拉力值为2000 N，功率为0.4 kW，电源电压为220 V。通过计算机对拉伸过程进行监测记录。

应力的计算式为：

式中：σ——应力，MPa；f——拉力，N；b——样片宽度，mm；c——样片厚度，mm。

应变必须通过试验机在实际拉伸过程中的位移进行换算：

式中：ε——应变；dt——拉伸机行驶的相对位移，mm；d——样片的测试有效长度，mm。

2 单轴拉伸实验

2.1 实验准备

图1 拉力试验机

在橡胶拉伸实验中，试样应该按照IS04661和GBT528规定进行加工，这对实验结果具有非常重要的影响［1］。实验采用汽车领域广泛应用的三元乙丙橡胶，是乙烯、丙烯和少量的非共轭烯烃的共聚物。拉伸实验样片的厚度范围根据实验方法确定为2.0 mm±0.2 mm。单轴拉伸实验样片具体尺寸见图2。单轴拉伸测试样片正中为34 mm×6 mm×2.5 mm。

夹具如图3所示。通过手动旋转夹具左右两端部的把手，控制夹具的张开及闭合。夹具与橡胶接触处有许多整齐的小齿，其目的是增大它的摩擦系数，避免试样在拉伸的过程中发生滑移。

2.2 测试

图2 单轴拉伸样片

橡胶拉伸实验的影响因素有很多，如实验样片的形状、样片的型号、样件的硬度、实验的温度、模压的时间、拉伸的速度等。本文主要从实验材料的硬度角度进行分析，分别制备硬度为40、50、60度的三元乙丙橡胶样片。实验在室温下进行，将样片用夹具夹紧后尽量保持样片的上下表面平行，使其受力均匀。同时，在样片中间有效测试范围以内安置两个应变片，然后通过计算机设置好初始参数，并开始拉伸。通过观察计算机显示的拉力和位移的变化总结规律。在实验过程中，如果样片断裂的位置不在测试有效区域内，那么这组数据是无效的必须重新进行拉伸实验。根据不同硬度所制成的样片单轴拉伸实验的应力应变关系如图4所示。由图4可知，在其他已知条件固定不变的前提下随着橡胶硬度的提高，单轴拉伸在相同应变情况下，应力值越大。

图3 单轴拉伸夹具

图4 橡胶单轴拉伸应力应变图

3 双轴拉伸实验

通过软件模拟进行橡胶插拔力与疲劳仿真，必须提供的数据包括材料的压缩实验数据，但是仅仅进行单轴压缩并不能完全满足需求。因为样片的底部与机械设备还存在一定的摩擦从而引起样片的侧面出现非常明显的剪切应变，这对实验结果的影响很大。对于几乎不可压缩的材料，通过对样片进行双轴拉伸实验来替代纯的压缩实验，可以得到较为精确的材料参数。

3.1 实验准备

采用边长为45 mm的正四边形，去掉4角，尽量减小不参加测试的区域对应力的影响，如图5所示。测试区域为样片正中28 mm×28 mm×2.5 mm。

图5 双轴拉伸试样

由于实验室拉伸机自身的局限性，拉伸装置只能进行一维运动，不能直接进行双轴拉伸。为了测定双轴拉伸实验参数，设计使用的双轴拉伸夹具见图6。4块夹片分别夹住样片的四周，为了受力均匀以及得到精确的结果，一定要保证夹具的上下部分完全平行，固定样片所用的螺母一定要拧紧，尽可能减少实验的误差。

3.2 测试

同单轴拉伸实验一样，分别制备硬度为40、50、60度的橡胶样片进行双轴拉伸实验，分析橡胶硬度对应力应变的影响。根据不同硬度所制成的样片单轴拉伸实验的应力应变关系如图7所示。由图7可知，随着三元乙丙橡胶硬度的提高，双轴拉伸在相同应变情况下，同样是应力值越大。

双轴拉伸从开始到断裂的过程如图8所示。

图6 双轴拉伸夹具

4 平面拉伸实验

4.1 实验准备

通过研究发现，实验所用样件的长宽比对实验结果非常敏感。因此进行平面拉伸实验应选择合适的尺寸，保证长度方向的尺寸远小于宽度方向，尽量减小对厚度方向的约束缩小厚度。制备样片大小为90 mm×90 mm×2 mm，其中上下两边90 mm×25 mm×2 mm为夹具所夹持部分，正中的90 mm×20 mm×2 mm为测试区域 （图9）。

图7 双轴拉伸应力应变图

图8 双轴拉伸过程

平面拉伸实验夹具如图10所示。夹具在设计时应满足如下要求：有足够的强度和刚度、结构简单、体积小、尺寸精度稳定、便于排屑等。平面拉伸实验和传统的单轴拉伸实验不同的地方在于，它并没有横向应变，这也是平面拉伸实验最为重要的一点。在实验中为了达到这个目的，通过两个150 mm宽的夹子进行平面拉伸。

图9 平面拉伸试样

图10 平面拉伸实验夹具

4.2 测试

同上，分别制备硬度为40、50、60度的三元乙丙橡胶样片进行平面拉伸实验，分析橡胶硬度对应力应变的影响。根据不同硬度所制成的样片平面拉伸实验的应力应变关系如图11所示。由图11可知，随着三元乙丙橡胶硬度的提高，平面拉伸在相同应变情况下，应力值越大。

5 结论

本文详细描述了三元乙丙橡胶样片从制备到实验的整个过程：包括样品的规格大小、样品设计以及橡胶的拉伸实验。同时，由于实验机的局限性不能满足平面拉伸以及双轴拉伸的要求，对所用的橡胶样片夹具做了基本的描述。

图11 平面拉伸应力应变图

通过3种不同加载方式的实验，为接下来进行有限元仿真分析提供了必要的材料性能参数，为接下来的数据分析奠定了坚实的基础。

同时，完成三元乙丙合成橡胶的单轴、双轴以及平面拉伸。研究了橡胶硬度对应力应变的影响。实验结果表明，3种加载方式下随着三元乙丙橡胶硬度的提高，平面拉伸在相同应变情况下，应力值越大。