橡胶的往复变形

对于理想的弹性材料来说，如钢弹簧，当将其拉伸时，外力所做的功能以位能的形式贮存起来。而将外力除去，位能又变成动能，弹簧则恢复至原有尺寸。粘性液体则又是另一的例子，使它变形的能量不能贮存起来，而以热能的形式耗散。橡胶则居于二者之间。如将橡胶试片拉伸（不使其断裂），然后以相同的速度使其回缩，拉伸与回缩的应力-应变曲线并不重合，如图5-39所示。图中，OA为伸长曲线，拉伸至A点后让其回缩，AC是回缩曲线。伸长曲线OA与横坐标所包围的面积OAB是使橡胶伸长时，外界对其所做的机械功。回缩曲线按AC进行，AC与横轴所包围的面积ABC为橡胶回缩时对外界所做的机械功。而OAB面积与ABC面积之差OAC为伸缩一周所损耗的机械功。损失的机械功化为热量，时橡胶本身温度升高。所损失的机械功称滞后损耗。


如果是理想橡胶，分子间没有粘性阻力的，伸长与回缩曲线应均按OCA线（即平衡线）进行，如图5-40.但实际橡胶是有粘阻力的，变形落在作用力的后面。如果试样单位面积上的作用力是P，平衡变形硬是1-0时，试样的变形只能达到1-1；而回缩时，应力减至P，试样又不能恢复到1-0，只能恢复到1-2。在一伸一缩的一个循环里，应力-应变的关系便构成了一个能量损耗圈，称为滞后圈。

滞后损耗圈是橡胶变形时的粘阻性质所致。在强力机上，伸缩的速度为一定，而橡胶中却有一系列松弛机构。在这一系列松弛机构中，松弛时间比强力机往返周期短者，在橡胶变形过程中已自行松弛。这部分松弛机构跟得上强力机的往返，不产生滞后损耗。有一些松弛时间比强力机往返时间长得多的松弛机构，在伸缩过程中还来不及运动，也没有滞后损耗。只有那些与强力机往返运行周期相当的机构起着主要的粘阻作用。
因此，硫化胶的滞后损耗与橡胶的种类，硫化程度，配合剂等有关，也与变形的速度和温度有关。如果橡胶伸缩进行得很快，比所有分子链的松弛时间t都小，分子链来不及张开，橡胶呈现玻璃态，没有滞后损耗。如果变形量很小，运动变形的时间又比所有分子链的时间都长，所有的松弛机构都在伸缩运动的周期内松弛完毕，接近平衡状况，滞后损耗也就很小。温度的影响仍如前述，在高温和很低的温度下，滞后损耗都很小。
如果在强力机上使试片往复变形几次，滞后圈将逐渐缩小，并使能力损耗的数量固定下来。在讨论滞后损耗时应以固定不变的圈为准，经过几次往复运动之后，参加变形的分子都移到一固定的位置上，以后就在这个平衡位置上往复运动。
橡胶在实际使用时，常常受到周期性的作用力，一般静力作用的实验结果往往与制品的实际使用情况不符。橡胶呈现玻璃态的温度与周期变形的频率有关，天然橡胶硫化胶的玻璃化温度与频率的关系如下：
若汽车行驶的速度为每小时60公里，一般外胎变形的频率约为100周/秒，而一般强力机相当于在5分钟一周的时间内进行，试片拉伸的速度与实际使用情况相差近30000倍，两种情况下的耐寒温度相差近30摄氏度。因此橡胶制品的使用性能应在接近实际使用的情况下进行，或按温度，时间互换原理作必要的换算。