橡膠的往復(fù)變形

對于理想的彈性材料來說，如鋼彈簧，當(dāng)將其拉伸時，外力所做的功能以位能的形式貯存起來。而將外力除去，位能又變成動能，彈簧則恢復(fù)至原有尺寸。粘性液體則又是另一的例子，使它變形的能量不能貯存起來，而以熱能的形式耗散。橡膠則居于二者之間。如將橡膠試片拉伸（不使其斷裂），然后以相同的速度使其回縮，拉伸與回縮的應(yīng)力-應(yīng)變曲線并不重合，如圖5-39所示。圖中，OA為伸長曲線，拉伸至A點后讓其回縮，AC是回縮曲線。伸長曲線OA與橫坐標(biāo)所包圍的面積OAB是使橡膠伸長時，外界對其所做的機械功?；乜s曲線按AC進行，AC與橫軸所包圍的面積ABC為橡膠回縮時對外界所做的機械功。而OAB面積與ABC面積之差OAC為伸縮一周所損耗的機械功。損失的機械功化為熱量，時橡膠本身溫度升高。所損失的機械功稱滯后損耗。


如果是理想橡膠，分子間沒有粘性阻力的，伸長與回縮曲線應(yīng)均按OCA線（即平衡線）進行，如圖5-40.但實際橡膠是有粘阻力的，變形落在作用力的后面。如果試樣單位面積上的作用力是P，平衡變形硬是1-0時，試樣的變形只能達到1-1；而回縮時，應(yīng)力減至P，試樣又不能恢復(fù)到1-0，只能恢復(fù)到1-2。在一伸一縮的一個循環(huán)里，應(yīng)力-應(yīng)變的關(guān)系便構(gòu)成了一個能量損耗圈，稱為滯后圈。

滯后損耗圈是橡膠變形時的粘阻性質(zhì)所致。在強力機上，伸縮的速度為一定，而橡膠中卻有一系列松弛機構(gòu)。在這一系列松弛機構(gòu)中，松弛時間比強力機往返周期短者，在橡膠變形過程中已自行松弛。這部分松弛機構(gòu)跟得上強力機的往返，不產(chǎn)生滯后損耗。有一些松弛時間比強力機往返時間長得多的松弛機構(gòu)，在伸縮過程中還來不及運動，也沒有滯后損耗。只有那些與強力機往返運行周期相當(dāng)?shù)臋C構(gòu)起著主要的粘阻作用。
因此，硫化膠的滯后損耗與橡膠的種類，硫化程度，配合劑等有關(guān)，也與變形的速度和溫度有關(guān)。如果橡膠伸縮進行得很快，比所有分子鏈的松弛時間t都小，分子鏈來不及張開，橡膠呈現(xiàn)玻璃態(tài)，沒有滯后損耗。如果變形量很小，運動變形的時間又比所有分子鏈的時間都長，所有的松弛機構(gòu)都在伸縮運動的周期內(nèi)松弛完畢，接近平衡狀況，滯后損耗也就很小。溫度的影響仍如前述，在高溫和很低的溫度下，滯后損耗都很小。
如果在強力機上使試片往復(fù)變形幾次，滯后圈將逐漸縮小，并使能力損耗的數(shù)量固定下來。在討論滯后損耗時應(yīng)以固定不變的圈為準(zhǔn)，經(jīng)過幾次往復(fù)運動之后，參加變形的分子都移到一固定的位置上，以后就在這個平衡位置上往復(fù)運動。
橡膠在實際使用時，常常受到周期性的作用力，一般靜力作用的實驗結(jié)果往往與制品的實際使用情況不符。橡膠呈現(xiàn)玻璃態(tài)的溫度與周期變形的頻率有關(guān)，天然橡膠硫化膠的玻璃化溫度與頻率的關(guān)系如下：
若汽車行駛的速度為每小時60公里，一般外胎變形的頻率約為100周/秒，而一般強力機相當(dāng)于在5分鐘一周的時間內(nèi)進行，試片拉伸的速度與實際使用情況相差近30000倍，兩種情況下的耐寒溫度相差近30攝氏度。因此橡膠制品的使用性能應(yīng)在接近實際使用的情況下進行，或按溫度，時間互換原理作必要的換算。