Испытание резины на сжатие

При работе уплотнений, амортизаторов, прокладок, опор и других резиновых изделий материал часто воспринимает не растягивающую, а сжимающую нагрузку. Поэтому на практике важно понимать не только прочность резины, но и то, какое сопротивление она оказывает заданному сжатию или, наоборот, насколько сильно деформируется под действием определённой силы.

Для такой оценки применяется ГОСТ 265-77 «Резина. Методы испытаний на кратковременное статическое сжатие». Стандарт предусматривает два разных по смыслу варианта испытания: до заданной деформации и под действием заданной силы.

Кратковременное статическое сжатие важно не путать с определением остаточной деформации после длительного сжатия. В первом случае оценивают реакцию материала непосредственно во время нагружения. Во втором — способность резины восстановить форму после того, как она длительное время находилась в деформированном состоянии.

Что определяют при испытании

ГОСТ 265-77 предусматривает два метода. 

При методе А заранее известно, насколько нужно сжать образец. Испытательная машина определяет силу, которая требуется для достижения такой деформации.

При методе Б заранее задают силу. По изменению высоты образца определяют, насколько резина деформировалась под этой нагрузкой.

Образцы для испытаний

Основными являются цилиндрические образцы двух типов. Также допускается испытывать готовые резиновые изделия, если это предусмотрено нормативной документацией. Для каждого испытания используют не менее трёх образцов. Перед нагружением контролируют их размеры: высоту и диаметр измеряют в нескольких точках, после чего определяют средние значения.

Для резины геометрия образца имеет большое значение. Непараллельность торцов, перекос цилиндра или неодинаковая толщина приводят к неравномерному распределению нагрузки и могут заметно увеличить разброс результатов.

Подготовка к испытанию

Перед испытанием образцы кондиционируют при температуре 23 ± 2 °C не менее трёх часов. При той же температуре проводят стандартное испытание. Образец устанавливают между двумя сжимающими площадками. Его продольная ось должна совпадать с направлением действия силы. Особое значение имеет параллельность плит. Если они расположены под углом друг к другу, одна часть образца начинает деформироваться раньше другой, и нагружение перестаёт быть равномерным.

ГОСТ устанавливает две скорости сближения плит: 12 ± 3 мм/мин или 25 ± 5 мм/мин. Конкретную скорость выбирают по нормативной документации на испытываемую резину или изделие.

Метод А — сжатие до заданной деформации

При методе А образец сжимают до заранее рассчитанной высоты. Стандарт предусматривает степени сжатия: 10, 20, 25, 30 или 40 %. Предпочтительным значением является 25 %, если нормативной документацией не установлено другое. Например, если первоначальная высота образца составляет 12,5 мм, то при степени сжатия 25 % его необходимо сжать до

12,5 × (1 − 0,25) = 9,375 мм. 

После достижения заданной высоты образец разгружают, а затем снова нагружают.

Цикл «нагружение — разгрузка» выполняют три раза. На третьем цикле измеряют силу, соответствующую установленной степени сжатия. Такой порядок уменьшает влияние первоначальной приработки образца и помогает получить более воспроизводимый результат.

Метод Б — сжатие заданной силой

В методе Б исходным параметром является уже не деформация, а заданная сила сжатия. Образец нагружают до установленной силы, затем разгружают. Как и при методе А, выполняют три последовательных цикла. На третьем цикле, когда достигнута заданная сила, измеряют расстояние между сжимающими площадками. Оно соответствует высоте образца в сжатом состоянии. По первоначальной и конечной высоте рассчитывают относительную деформацию. Такой метод удобен, когда нужно определить, насколько будет деформироваться резиновый элемент под известной рабочей нагрузкой.

Как рассчитывают результаты

Для метода А определяют условное напряжение сжатия:

σсж = F / S₀

где F — сила сжатия; S₀ — первоначальная площадь поперечного сечения образца.

Для цилиндрического образца S₀ = πd² / 4, где d — первоначальный диаметр.

Для метода Б определяют относительную деформацию сжатия:

εсж = (h₀ − h) / h₀ × 100 %

где h₀ — первоначальная высота образца; h — высота образца под заданной нагрузкой.

То есть при методе А результат характеризует сопротивление материала заданному изменению размеров, а при методе Б — величину изменения размеров под установленной силой.

Почему выполняют три цикла нагружения

Поведение резины при первом нагружении может отличаться от последующих циклов. Это связано с особенностями высокоэластической деформации и первоначальной перестройкой структуры материала. Поэтому ГОСТ предусматривает три последовательных цикла «нагружение — разгрузка», а измеряемый результат получают на третьем.

Перерыв между окончанием одного и началом следующего цикла не должен превышать 10 секунд. Этот момент легко упустить, если проводить испытание как обычное одноразовое сжатие до заданной силы или перемещения. Но в таком случае процедура уже не будет соответствовать методике ГОСТ 265-77.

Какое оборудование требуется

Испытание проводят на универсальной или разрывной испытательной машине, способной работать в режиме сжатия. В рабочей зоне устанавливают плиты или специальное приспособление для сжатия, между которыми размещается образец. Для этой задачи особенно важны:

• подходящий диапазон измерения силы;
• возможность работы в режиме сжатия;
• стабильное поддержание требуемой скорости;
• достаточная точность позиционирования траверсы;
• параллельность сжимающих поверхностей;
• автоматическое выполнение повторяющихся циклов нагружения.

Для испытаний резины могут применяться универсальные машины НИМ, РКМ, РКМ svo и X-PRO — конкретное исполнение выбирают по требуемой силе и условиям методики. При небольших нагрузках нет смысла ориентироваться на машину с максимально большим номинальным усилием. Гораздо важнее, чтобы реальные рабочие силы испытания попадали в корректный измерительный диапазон установленного датчика. Повторяющиеся циклы нагружения и разгрузки, регистрацию силы и перемещения, а также обработку результатов можно выполнять с использованием программного обеспечения Prof IT.

Почему конструкция плит имеет значение

При растяжении образец удерживают захваты, а при сжатии сила передаётся через контактные поверхности. Поэтому состояние и взаимное положение плит напрямую влияют на результат. Рабочие поверхности должны обеспечивать устойчивое положение образца и равномерное нагружение.

Если плиты непараллельны, возникает перекос. Если образец установлен не по центру, нагрузка становится внецентренной. В обоих случаях одна часть цилиндра сжимается сильнее другой, и результат уже не отражает нормальное одноосное сжатие. Поэтому правильно подобранная оснастка здесь не менее важна, чем характеристики самой испытательной машины.

Кратковременное сжатие и остаточная деформация — разные испытания

Эти характеристики иногда смешивают, хотя они описывают разные свойства резины.

Кратковременное статическое сжатие по ГОСТ 265-77 показывает реакцию материала непосредственно на приложенную нагрузку: какое напряжение требуется для установленного сжатия или какая деформация возникает под заданной силой.

Остаточная деформация после сжатия характеризует способность резины восстановить первоначальную форму после длительного нахождения в сжатом состоянии.

Например, для уплотнения могут быть важны обе характеристики. Материал должен обладать определённой жёсткостью при рабочем сжатии и одновременно сохранять способность восстанавливаться после длительной эксплуатации. Поэтому один метод не заменяет другой.

Что сильнее всего влияет на результат

Несмотря на сравнительно простую схему испытания, точность результата зависит сразу от нескольких факторов: геометрии образца, температуры, его положения относительно плит, скорости нагружения, параллельности рабочих поверхностей и корректного измерения силы и перемещения. При сравнении материалов условия должны быть одинаковыми. Изменение размеров образца, степени сжатия или скорости способно изменить получаемую характеристику даже для одной и той же резины. Поэтому испытание на сжатие лучше воспринимать не как простое «давление на образец», а как регламентированную процедуру, в которой геометрия, сила, деформация и режим нагружения связаны между собой.

При выборе материала для конкретного изделия важно учитывать не только его поведение при сжатии, но и характеристики при других видах нагружения. Например, испытания резины на растяжение позволяют дополнительно оценить прочность, относительное удлинение и поведение материала при больших деформациях.

Универсальная испытательная машина с правильно подобранным датчиком силы и оснасткой для сжатия позволяет автоматизировать эту процедуру, регистрировать параметры каждого цикла и получать воспроизводимые результаты для контроля качества резины и резиновых изделий.