实际橡胶的粘弹性—应力松弛
橡胶弹性的统计理论讨论了所有橡胶的通性,以分子间没有相互作用力,分子链可以自由转动的理想分子为研究对象,橡胶的弹力完全由卷曲分子构象的变化产生,应力与变形之间处于平衡状态,并且与橡胶的化学组成无关。然而,真实橡胶并非如此,分子间有吸引力,吸引力的大小视橡胶的化学组成和结构的不同而异。分子间的相互作用会妨碍分子链的运动,表现为粘性或粘度,以致应力与变形往往处于不平衡状。作用于橡胶分子上的力,一部分用于克服分子间的粘性阻力,另一部分才使分子链变形,此二者构成橡胶的粘弹性质。弹性和粘性为许多材料所兼有,然而高粘性和高弹性则是橡胶所特有的。橡胶加工过程中的粘弹性质在第六章中讨论,本章着重讨论橡胶受力后的应力松弛,蠕变,滞后损失,恢复和永久变形以及动态力学性质等,着重说明时间,温度的影响。
一,应力松弛
1.应力松弛的意义
在恒定温度下,将橡胶伸长至一定长度,随着时间的推移,保持此长度的应力将逐渐减小,这种现象叫应力松弛。或者说,恒温,恒定变形下,应力是时间的函数。
产生应力松弛现象的原因是因为橡胶的粘度很大,外力作用于其上的瞬时间不可能均匀分布,有的链段可能还没有受到外力的作用。由于力分布不均匀,内应力很大,分子处于紧张状态。然后,分子链移动,重排,经过一定的时间后方能消除内应力,达到平衡状态。此时,应力亦下降至平衡值。所以应力松弛是消除粘性阻碍的过程。但对生胶来说,虽有分子链间的相互缠结,但毕竟不是永久性的横键,分子将逐渐产生链间的相对位移而解脱纠缠,应力最终将松弛至零。图5-20表示硫化橡胶分子链的应力松弛过程,若是生胶,最终将有塑性流动,应力减至零而无平衡应力。
2.简单的应力松弛模型-马氏(Maxwall)模型
运用简单的模型可以帮助理解应力松弛现象。马氏模型。如图5-21所示。这种模型由一弹簧和一置于粘性液体中的活塞(粘壶)串联而成。弹簧代表卷曲的分子链,粘壶表示分子间的吸引力。当外力作用于模型上时,弹簧先行张开,代表理想橡胶分子链受力后立即变形。弹簧上所受的力立即传给活塞,但活塞的移动收到周围粘性液体的阻碍,需要经过一段时间才能移动。因此,加力的瞬时,全部变形都体现在弹簧上,随着加力时间的延长,粘壶运动,弹簧的伸长逐渐减小,保持模型变形恒定的力也随之减小。