【国家标准(GB)】 弹性体动态试验的一般要求

中华人民共和国国家标准
弹性体动态试验的一般要求
Elastomers-General requirementsfor dynamic testing
本标准参照采用国际标准ISO2856—1981《弹性体动态试验的一般要求》。1主题内容与适用范围
UDC 678. 4
GB9870—88
本标准列出动态试验的一系列定义。指出为测定弹性体的粘弹性能，应当利用受控频率，受控振幅及受控形式的周期性变化的作用力或形变（其中包括冲击力及冲击形变），采用一定的参数条件，同时必须对试验机、试样及试验步骤作出总的规定。术语“动态性能”在本标准中专指应力及应变都随时间呈周期性变化时，弹性体的形变性能。本标准适用于试验室制备的试样，原则上也可用于成品制成的或成品类型的试样。本标准简要阐明弹性体动态性能的基本概念和理论，以利于理解动态试验的有关术语定义，也便于解释试验数据。
2引用标准
GB527硫化橡胶物理试验方法的一般要求GB1681硫化橡胶回弹性的测定
GB2941橡胶试样停放和试验的标准温度、湿度及时间GB6039橡胶物理试验术语及其定义GB7042橡胶压缩或剪切性能的测定（扬子尼机械示波器）3弹性体动态性能所使用的术语及公式以下每个术语及公式都适用于弹性体的线性行为。建议不要用“模量”这个笼统的术语，而应当在前面加上限定性的词，“弹性剪切模量”。因为弹性体的本体模量或静压缩模量比本标准中所指的形变模量要大几个数量级，因此，前者不属于本标准的范围。总之，剪切模量和法向模量是硫化橡胶的材料特性，它们与试样的形状及尺寸无关。反之，弹簧常数及阻尼常数与试样的形状、尺寸等有关，它们常用来表示具体产品（如轴承衬套、减震垫及轮胎）的性能。3.1应用于任意周期性运动的术语3.1.1力学滞后环mechanical hysteresis loop在周期性变形过程中，代表材料连续应力应变状态的闭合曲线（见图3至图5）。3.1.2损耗能energy lossW(J/m2)每个形变周期中单位体积损失的能量。损耗能就是根据坐标图计算的滞后环的面积。3.1.3损耗功率powerlossN(W/m）通过滞后转变为热的单位体积的功率。损耗功率N为损耗能W与频率f的乘积，即N-W·f
中华人民共和国化学工业部1988-07-04批准346
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1989-05-01实施
GB 987 0
3.1.4平均应力mean stressTm或αm（Pa）：每个周期中作用力F的平均值除以试样无应力时的横截面积Ao，即p
见图1至图5。
试样高度L
试样截面积Ao
剪切形变&
剪切应变
剪切作用力F
剪切应力
剪切角
3.1.5平均应变
图1剪切应变
meanstrainVm或em（无量纲）
每个周期中应变或：的平均值（见图1至图6）。在剪切变形时，应变等于剪切角的正切（见图1），即= tge
（3）
在拉伸或压缩变形时，应变ε等于应力F的试样长度变化L一L与无应力时的试样长度1之比（见图2），即
如果是拉伸形变，则ε为正，试样变长；如果是压缩形变，则ε为负，试样变短。所以负拉伸称为压缩或压缩变形。经常用拉伸比2=
进行计算，由(7)可得
mean modulus Gm或 Em(Pa)
3.1.6平均模量
平均应力与平均应变的比值。对剪切形变，平均模量（为：m
对拉压形变，平均模量Em为
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无负荷的试样长L
无负荷的试样截面积
加负荷的试样长1
拉伸比
法向作用力
法向应力
GB 9870- 88
图2 压缩形变
图3在脉冲式正弦应变下得到的严重畸变的滞后环开口的滞后环图图3又表现了作为瞬时应变和瞬时应力时间平均值的平衡平均应变和平均应力。平均应变Vm
平均应力
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GB987088
图4非椭圆形的滞后环
图上标明应变振幅和应力振幅；滞后环的面积应当是横坐标读数与纵坐标读数的乘积，以得到要导入计算式的面积A。
3.1.7应力振幅stressamplitudeTa或a（Pa）剪切作用力振幅F。与无应力的试样截面积A的比值；”是最大作用力与最小作用力之差的二分之。从图1和图5可得到剪切应力振幅ta：Ta
同样，对拉压作用力，从图2和图6可得到：Fa
- Fmin
图5剪切应力应变曲线图
平均应变
应变振幅
平均应力
应力振幅
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（8）
（9）
无负荷的试样长度
平均试样长度Lm
法向应变振幅La
平均作用力m
法向作用力振幅
GB 9870-88
图6法向应力应变曲线图
3. 1. 8 均方根应力 root-mean-square stress(Pa)在一个完整的变形周期内，平均应力的均方根值。3.1.9应变振幅strainamplitudeya或&（无量纲）最大变形与最小变形之差的二分之一。从图1和图5可得到剪切应变振幅：Yma
同样，对拉压应变振幅，从图2和图6可得到e：a
emax - Emin
3.1.10均方根应变root-mean-square strain（无量纲）在一个完整的变形周期内，平均应变的均方根值。（10）
（11）
3.2应用于正弦运动的术语
正弦运动意味着滞后环是椭圆形或近似是椭圆形的闭合曲线。但在较大变形时，由于橡胶的应力应变呈非线性关系，运动不再是正弦形式，因此滞后环是严重畸变的非椭圆形（见图4）。对这种畸变的滞后环，可以看作为有同样的应力振幅和应变振幅、面积相同的椭圆形封闭滞后环（见图5及图6）。下面在介绍有关术语前，用图说明复数表示剪切形变的应力应变关系的方法（见图7）。法向形变的复数表示法同剪切形变。
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复数剪切模量（*
弹性剪切模量G'
损耗剪切模量Q\
损耗角
图7用复数表示为：
同样，对法向形变，其复数表示为：GB 9870 - 88
图7剪切模量的复数表示
G* G' + iG\ = [Q*[eis
E*= E\+iE\= |E*lels免费标准bzxz.net
spring constant k(N/m)
3.2.1弹簧常数
”与形变同相位的作用力分量与形变之比。3.2.2弹性剪切模量elastic shear modulusG'（Pa）G
同相位的剪切应力分量与剪切应变之比。弹性剪切模量是复数剪切模量的实数部分，即Gt 二
Tacosd
jG\jcoso
3.2.3弹性杨氏模量elasticyoung'smodulusE（Pa）同相位的法向应力分量与法向应变之比。弹性杨氏模量是复数杨氏模量的实数部分，即E
3.2.4 阻尼常数 damping constantIN·S
超前变形相位90°的作用力分量与变形速度之比。3.2.5损耗剪切模量loss shear modulusG\(Pa）[E[cosd
（12）
(15）
超前剪切应变相位90°的剪切应力分量与剪切应变之比。损耗剪切模量是复数剪切模量的虚数部分，即
Tasind
IG*sind
(16）
loss young's modulus.
E\(Pa)
3.2.6损耗杨氏模量
超前法向应变相位90°的法向应力分量与法向应变之比。损耗杨氏模量是复数杨氏模量的虚数部分，即
Oasind
3.2.7复数剪切模量
Icomplex shear modulus G*(Pa)[E*[sind
剪切应力与剪切应变的比值为复数的剪切模量，即正代提提
( 17 )
GB 9870-88
y* = Vaeica-)
G*= G' + iG\ = |G*leio
3.2.8复数杨氏模量complexyoung'smodulusE（Pa）法向应力与法向应变的比值为复数的杨氏模量，即E*
e* - &gci
E* = E' +iEW= |E\lei
(18)至(25)式中：t-
时间，s;
损耗角，rad。
3.2.9绝对复数剪切模量absolute(value of)complex shearmodulus(G\|(Pa）复数剪切模量的量值，G*「的关系式为：IG*I = ~(G')? + (G\)2
3.2.10绝对复数杨氏模量absolute(value of)complex shear modulus复数杨氏模量的量值。E*的关系式为：E*
(E)+(E\)2
IE*- -
3.2.11摄耗因子loss factortgd(无量纲）损耗模量与弹性模量之比值。对剪切应力，损耗因子t：3.2.12损耗角lossangled(rad)
[E*(Pa)
（18）
·( 20 )
·（ 21 )
（22）
（23)
（25）
·(27)
·（28)
·（29）
；对法向应力，损耗因子tgs=
应力与应变间的相位差。该角的正切值是损耗因子，损耗能W与损耗角之间有以下关系：对剪切应变
W Tayasind
对法向应变
W= agasind
（30）
（31）
3.3应用于其他运动的术语
除了周期性运动外，还有自由振荡及冲击式运动等形式。阻尼自由振荡运动的应变振幅不断减小。当阻尼达到一定量(临界阻尼)时，产生了非周期性的衰减（振与未振的临界状态）。352
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GB 9870- 88
3.3.1对数衰减率logarithmicdecrementA(无量纲）阻尼振动中两个相邻的振幅衰减比的自然对数，即当很小时，近似有g～
3.3.2阻尼比damping ratiou（无量纲）（32）
实际阻尼值与临界阻尼值之比。而临界阻尼值为振与未振临界状态下物体所具有的阻尼。阻尼比是对数衰减率的函数，它们关系式为：A/2m
V1 + (A/2元)3
当很小时，近似有：
3.3.3回弹率rebound resitienceR（无量纲） sin(arctg(A/2n))
连续冲击后达到稳定状态时，冲击试样的击锤的输出能量与输入能量之比。4试验机的一般介绍
（33）
：（34）
试验机可以在应力振幅或应变振幅、频率和温度的各个不同范围内产生冲击式的运动或周期性的振荡。试验机大致分类如下：
a.按运动类型分为：
共振式的周期振荡型；
非共振式的周期振荡型；
旋转脉冲式变形；
阻尼自由振荡型。
b．按所施加的作用量分为：
应变型；
应力型；
能基型。
按所包括的频率范围分为：
静态及低频，小于/Hz；
中频,1～100 Hz;
高频，大干100Hz。
5对试验机的要求
本标准只提出动态试验机的一般要求。总的来说，仪器的结构应当坚固而紧密。而耳，在试验频率范围内，动态响应不得受仪器本身的共振作用或其他内、外振源等杂散振动的影响。仪器产生的振动振幅和频率都应当是恒定的，需要时它们还可以调节。试验机应装备机械式或光电式或电子式的读数或记录装置，不论哪种都应当是线性的而月具备足够的灵敏度，读数或记录装置不应当受外界因素如温度等的影响。如果不在室温进行试验，则至少应在试样夹持部分安装恒温室，并装有便于操作的测温系统。带指示装置或记录装置的内接及外接热电偶或热电阻是适用的测温系统。
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6标准的试验参数
GB987088
由于弹性体复杂的粘弹性能，动态试验结果对试验条件如温度、频率、作用力或形变振幅有强烈的依赖性(见附录 C)。
因此，试验条件应当既要规定应力或应变振幅，又要规定平均应力或应变。试验的标准条件应当与本条的规定一致，6.1温度（℃）
标准温度由下列值选择：
—70,55,—40,—10,0,+23,+27,+40,+55,+70,+85,+100,+125,+150,+175,+200,+225,+250
试样中任何位置的温度与标准温度之差不得大于规定的容许差。一般情况下温度的容许差是土2C，但在转变温度附近容许差应是士0.5℃；在高频或高振幅下，温度容许差可以大于士2℃。6.2应变和应力的形式和类型
所施加的应变或应力最好是正弦波形式，而且最好是剪切应变及应力。但如果材料是各向同性的，用法向应变或应力也是允许的。施加在试样上的正弦应变或应力，其谐波畸变应尽可能低，而且任何时候这种畸变都不能大于应变或应力值的10%。动态应力或应变可以叠加在任何水平（包括零）的平均应力或应变上。
施加的应变或应力的允许形式还有以小于1的对数值衰减的阻尼自由振荡、周期性的半正弦波及冲击式波等。
6.3频率和振幅
频率、应变振幅及应力振幅的范围可以达到几个数量级，它们的数值与试验对象有关。因此，这些试验参数宜用对数表示并以对数形式变化。在此提出试验参数系列供采用参考。系列两端可以乘10的正幂或负幂使参数向两边扩展。
系列A：1;10
系列 B:I;3;10
系列C:1;2;5;10
系列D:1;1.5;2;3;5;710
6.3.1频率(Hz）
频率的容许差是数值的士2%。本标准不考虑500Hz以上的试验。6.3.2应变振幅（无量纲）
应变振幅的容许差是数值的士5%。6.3.3应力振幅(Pa）
应力振幅的容许差是数值的士5%。6.4平均应变或平均应力（预负荷）预负荷的方向不受应力或应变方向的限制，而预负荷值及容许差的选择与交变应力或应变相同。6.5，单点试验标准参数
如果需要一套参数作为校正试验使用，则参数值规定如下：温度：70℃
施加的应变类型：正弦剪切
频率：10Hz
应变振幅：0.06
平均：0
7试样
GB 987088
理想的试样要求是，试样的应力和应变分布均勾，温度分布均匀。但这种理想状况是难以达到的。因此，要选择一定的试样形状，并且用解析的方法对试验结果进行修正。由于试样的形状和尺寸与试验机的灵敏度范围有关，因此，本标准推荐了六种试样，但不规定具体尺寸。同时，本标准还对试样制备方法提出总要求。
7.1试样制备
按GB527的规定制备试样。试样一般用模型硫化。对两端粘有金属片的试样，应当用硫化型的粘合剂。如果从橡胶制品中裁切和打磨试样，则应当用冷粘合剂。试样内部硫化要均匀，试样与金属片之间粘合剂的厚度应当在0.05mm以下。7.2试样的形状及应变类型
7.2.1形变分析
本标准根据橡胶的弹性统计理论，对试样形变作一级近似分析。以下仅列弹性分量的应力应变关系式。参考附录B可得损耗分量的类似关系式。对剪切型试样，应力应变关系式为：T=oGy
式中-剪切应力；
G——剪切模量；
--—剪切应变；
@—形状因子。
对拉伸型试样，应力应变关系式为：g = 0E( - 1)
式中：α—初始截面上的法向应力;入——拉伸比，即实愿长度
初始长度L。。
2在1附近（入在0.8至1.2之间)时，(36)式适用。附录B详细说明形变分析。7.2.2不均匀变形的形状因子
对不均匀的形变，应当利用形状因子对模量值进行修正。（35）
·(36)
7.2.3推荐动态试验的试样形状及形状因子试样尺寸与试验机的灵敏度范围有关，因此不作具体规定。但为保证硫化均匀，要求试样厚度不得大于12 mm。
7.2.3.1.长方体形剪切应变试样试样底边为b,是正方形，高为h。b=4h，剪切力施加在试样的正方形面上，力的方向与正方形的一边平行。
利用式(35)（见7.2.1),其形状因子Φ。1.0。因此，=Gy。7.2.3.2圆柱形剪切应变试样
试样半径为r，高为h，二九。剪切力施加在柱体的上下底面上，并与直径平行。利用式（35)（见7.2.1），其形状因子@。=0.9,因此，T=0.9G。7.2.3.3长方体形法向应变试样
试样底边为b,是正方形，高为h。法向力作用在试样的两个正方形面上，力的方向与高h平行。利用式（36)见7.2.1），当6=h,在a的有限范围内，形状因子@,=1.1,01.1E（—1)当b=2h.在的有限范围内,形状因子更,=1.5,0～1.5E(—1)。7.2.3.4圆柱形法向应变试样
免费子
试样半径为r，高为h，
GB 9870 - 88
。法向力作用在圆柱体的上下底面上，并且与高1平行。0
利用式（36)（见7.2.1),在的有限范围内，形状因子Φ。=1.1,α1.1R（α一1)。7.2.3.5摔状拉伸应变试样
试样截面为正方形时，边长如为b，试样长为l，l=8b；截面为圆形时，半径如为r，试样长为1,l=8r。利用式（36)（见7.2.1),在α的有限范围内,形状因子@,=1.0,0～E(a一1)。7.2.3.6条状扭转形变试样
试样截面为矩形时，宽为b,厚为h，试样长为t,l≥10b。形状因子Φ二1。如果b≥3h，扭矩为Q,扭转角为α,模量由近似式（37)求：G
如果<3h.应当用更精确的公式
0.63折）
2bh(1-
( 37 )
试样截面为圆形时，圆半径为r，试样长为。≥10r，形状因子Φ一1。当扭矩为Q，扭转角为α时，模量由式(38)求出：
8试样调节
8.1试样的保存
硫化与试验之间的时间间隔按GB2941的规定执行。8.2调节
（38）
试样在试验前一定要置于GB2941所规定的标准室温度下。试样尺寸的测量及检查等全部工作都应在该温度下进行。
8.3结构的重排
在试样上至少施加六个周期的应力后才能进行动态测试，这种机械调节的目的是使内部结构重排以达到平衡，消除历史影响，保证结果的再现性。8.4温度
试样应在试验温度下调节足够的时间，以达到内部温度分布均匀。在低振幅和低频条件下，不会由于滞后引起标准温度的变化超过容许差，所以不需要限制施加应力到读数之间的时间，在高振幅和高频条件下，可以在没超过温度容许差的短时间内快速读取数据（瞬时法），也可以待温度达到平衡后读取数据（稳态法）。后一方法的试样应尽量小，而且应当借助于适当的温度传感元件测出试样的平均温度及不同位置的温度偏差。稳态法在测定材料的基本性能时还不够理想，多用于产品及样品的测试。
当振幅和频率高到足以引起试样的早期破坏时，就只能用瞬时法。这时，测试过程需要专用的记录仪。
8.5疲劳破坏及材料损坏
长时间的重复变形及高温都易产生疲劳破坏及材料的损坏，从而极大地影响动态性能的测定值。这种影响不属于本标准的讨论范围，但在动态试验条件的选择中要注意和避免这种现象。8.6试验程序
如果用-一个试样做一套以上的试验，测量要从最低苛刻度开始，然后逐步转向较大的振幅和较高的频率。在不同温度下做试验时，先把恒温室温度调到最低试验温度，在该温度下测定后再升温。对任何-套试验条件，无论初调时还是试验中间，除了微调动作或其他有计划安排的步骤，一般不允许应变振幅超过规定值。如果某种处理或该处理与其他处理的交互作用对结果的影响还不清楚，则应当进行系统研356
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GB 987 0 ---88
究以定量确定这种影响。在低温下试验时，要注意由于结晶作用引起的可能变化。9试验数据处理
关于冲击型试验机及阻尼自由振荡试验机的数据测定及计算可详见相应的标准GB1681及GB7042。本标准主要介绍强迫周期振荡试验机的测定和计算。9.1共振式试验机
-般测定共振时的频率、振幅及共振时的驱动力。为计算模量，还需要确定与共振对应的是最大作用力振幅、最大变形振幅还是最大贮存能。9.2非共振式试验机
在周期性应力应变后（见8.3条），试验机最好能描绘应力应变滞后环。虽然在大应变时，滞后环可能不是椭圆的（见图4）。但通常把畸变的滞后环等价为具有同样的应力及应变振幅、同样面积、相等损耗能的椭圆曲线（见图5、图6）。
根据上述分析，并已知式（27），可得G = =
如图5、图6所示。
式中：T应力振幅；
应变振幅；
A~滞后环面积。
（39)
（40)
如果仪器不能描绘滞后环，则要求仪器能测量应力振幅、应变振幅及它们之间的相位差角5。许通过武（18）、（16)及(17)可求出G\,G\及G\。以上剪切模量的公式同样适用于形变1在一定范围内的法向模量。10试验报告
试验报告应包括以下内容
样品及其历史情况的说明；
试样的制备方法：硫化、裁切等；如果试样两端粘在金属片上，说明粘接方法；试样的环境调节条件：时间、温度等；试样的机械调节条件；
试验机的类型；
试验方法；
试样的形状及尺寸；
试样数量；
应变类型；
试验条件：频率，温度，应变、应力或输入能的波形和振幅及它们的容许差；仪器的开始工作状态及其他的特殊试验步骤；数据处理方法及近似计算的假定等；试验结果，对剪切应变表达为G\，G\或（*及tgo;对法向应变表达为E\，\或E及tgo：试验日期。
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