Остаточная деформация резины после сжатия

Резиновые уплотнения, прокладки, манжеты и другие эластомерные детали часто длительное время находятся в сжатом состоянии. После снятия нагрузки материал должен стремиться вернуться к первоначальной форме. Если восстановление происходит не полностью, часть деформации сохраняется. Эту способность характеризует остаточная деформация при сжатии. Чем меньше её значение при одинаковых условиях испытания, тем лучше материал сохраняет упругие свойства после длительного сжатия. Для вулканизированных резин и термоэластопластов испытания при стандартной и повышенной температуре регламентирует ГОСТ Р ИСО 815-1-2017.

Что показывает остаточная деформация при сжатии

Показатель характеризует не то, насколько легко резина сжимается под нагрузкой, а насколько полно она восстанавливает первоначальную толщину после длительного нахождения в деформированном состоянии. Например, две резины могут иметь близкую жёсткость при кратковременном сжатии, но после длительной выдержки одна практически восстановит исходную форму, а другая останется заметно деформированной. Это особенно важно для уплотнительных деталей. Если после длительной эксплуатации материал теряет способность восстанавливаться, уменьшается контактное давление, что может привести к ухудшению герметичности.

Чем это испытание отличается от кратковременного сжатия

Остаточную деформацию после сжатия важно не путать с испытанием по ГОСТ 265-77.

 

При кратковременном испытании результат получают непосредственно во время нагружения.

При определении остаточной деформации образец сначала длительное время выдерживают в сжатом состоянии, затем освобождают и после установленного периода восстановления снова измеряют его толщину.

Таким образом, эти методы характеризуют разные свойства материала и дополняют друг друга.

Сущность метода

Перед испытанием измеряют первоначальную толщину образца. Затем его помещают между параллельными пластинами устройства сжатия и уменьшают толщину до установленного значения. Заданную деформацию сохраняют в течение определённого времени при стандартной или повышенной температуре. После выдержки образец освобождают от сжатия, дают ему восстановиться и снова измеряют толщину.

По разнице между первоначальной толщиной, толщиной после восстановления и величиной заданного сжатия рассчитывают остаточную деформацию. По существу, испытание отвечает на простой вопрос: какая часть заданной деформации осталась в материале после того, как нагрузку сняли?

Какую степень сжатия используют

ГОСТ Р ИСО 815-1-2017 применяется для резин твёрдостью от 10 до 95 IRHD. Для большинства резин используют сжатие на 25 % первоначальной толщины. Для более твёрдых материалов деформацию уменьшают:

Номинальная твёрдость	Степень сжатия
менее 80 IRHD	обычно 25 %
80–89 IRHD	15 %
90–95 IRHD	10 %

Причина понятна: слишком большое относительное сжатие твёрдой резины может создавать условия, не соответствующие назначению метода и реальному поведению материала.

Образцы для испытаний

Стандарт предусматривает два основных типа цилиндрических образцов.

Тип образца	Диаметр	Толщина
Тип А	29,0 ± 0,5 мм	12,5 ± 0,5 мм
Тип В	13,0 ± 0,5 мм	6,3 ± 0,3 мм

Образец типа А предпочтителен, в частности, при испытании резин с небольшой остаточной деформацией, поскольку больший размер позволяет точнее фиксировать небольшие изменения толщины. Результаты, полученные на образцах разных типов, нельзя автоматически считать взаимозаменяемыми. При сравнении материалов необходимо использовать одинаковую геометрию и одинаковые условия испытания.

Как устроено приспособление для сжатия

В отличие от кратковременного испытания на универсальной машине, здесь образец обычно не удерживается под нагрузкой непосредственно исполнительным механизмом машины в течение всей выдержки.

Используется специальное механическое устройство для сжатия, состоящее из параллельных металлических пластин, проставок заданной толщины и зажимного устройства. Проставки ограничивают сближение пластин и тем самым задают точную конечную толщину образца. Например, если образец толщиной 12,5 мм необходимо сжать на 25 %, расстояние между пластинами должно составлять:

12,5 × 0,75 = 9,375 мм.

После затягивания устройства образец остаётся в этом состоянии в течение всего периода выдержки. Именно поэтому для такого испытания особенно важна точность геометрии приспособления и толщины проставок, а не только величина приложенной силы.

Испытание при повышенной температуре

Температура существенно влияет на способность резины восстанавливаться после сжатия. При нагреве в материале могут ускоряться физические и химические процессы, приводящие к необратимым изменениям структуры. Поэтому остаточная деформация при повышенной температуре обычно является особенно важной характеристикой для уплотнений, работающих в двигателях, трубопроводах, технологическом оборудовании и других теплонагруженных узлах.

Устройство с зажатыми образцами помещают в термостат или температурную камеру, где поддерживают установленную температуру в течение заданного времени. После окончания выдержки процедура освобождения и восстановления зависит от выбранного метода.

Методы А, В и С при повышенной температуре

ГОСТ Р ИСО 815-1-2017 предусматривает три варианта завершения высокотемпературного испытания. Они отличаются прежде всего тем, когда и при какой температуре освобождают образец от сжатия.

Метод	Что происходит после выдержки
А	Устройство извлекают из термостата и сразу освобождают образцы
В	Устройство сначала охлаждают до стандартной лабораторной температуры, затем образцы освобождают
С	Образцы освобождают непосредственно при температуре испытания

Если нормативной документацией не установлено иное, стандарт предусматривает применение метода А. Разница между вариантами существенна: температура и момент освобождения влияют на процесс восстановления резины и, следовательно, на измеряемую остаточную деформацию. Поэтому результаты, полученные разными методами завершения испытания, нельзя сравнивать без учёта условий.

Почему важен период восстановления

Толщину образца не измеряют сразу после освобождения. Резина продолжает восстанавливаться некоторое время после снятия деформирующего воздействия. Поэтому стандарт задаёт определённый период восстановления, после которого проводят измерение. Для типовой процедуры после освобождения образец выдерживают 30 ± 3 мин, а затем измеряют его толщину. Этот промежуток является частью методики. Если измерить образец слишком рано или значительно позже установленного времени, результат может измениться. Следовательно, при сравнительных испытаниях необходимо одинаково соблюдать не только температуру и длительность сжатия, но и условия восстановления.

Как рассчитывают остаточную деформацию

Остаточную деформацию при сжатии выражают в процентах от первоначально заданной деформации:

ОДС = (h₀ − h₁) / (h₀ − hₛ) × 100 %

где: h₀ — первоначальная толщина образца; h₁ — толщина после испытания и восстановления; hₛ — высота проставки, определяющая толщину образца в сжатом состоянии.

Рассмотрим простой пример. Первоначальная толщина h₀ = 12,5 мм. Высота проставки при сжатии на 25 % hₛ = 9,375 мм. После восстановления измерена толщина h₁ = 11,9 мм. Тогда:

ОДС = (12,5 − 11,9) / (12,5 − 9,375) × 100 ≈ 19,2 %

Это означает, что после установленной выдержки и восстановления сохранилось примерно 19 % первоначально заданной деформации. Чем ближе результат к нулю, тем полнее образец восстановил первоначальную форму.

Почему точность измерения толщины особенно важна

При испытании остаточной деформации результат определяется по сравнительно небольшим изменениям размеров. Поэтому ГОСТ предусматривает измерение толщины с высокой точностью. Применяемый толщиномер должен обеспечивать точность измерения ±0,01 мм, а давление измерительной пятки на образец должно быть нормировано. Если при измерении слишком сильно прижать мягкую резину, прибор сам дополнительно деформирует образец. Полученная толщина уменьшится, а рассчитанная остаточная деформация окажется завышенной. На результат влияют также:

• место измерения;
• параллельность поверхностей образца;
• температура;
• время после освобождения;
• состояние поверхности после нагрева.

Поэтому толщиномер здесь является полноценным элементом испытательной методики, а не просто вспомогательным инструментом.

Что сильнее всего влияет на результат

Остаточная деформация чувствительна сразу к нескольким параметрам. Особенно важны состав и твёрдость резины, степень сжатия, продолжительность выдержки, температура испытания и условия последующего восстановления. Даже для одной смеси изменение температуры или времени выдержки может значительно изменить результат.

Поэтому значение остаточной деформации имеет смысл только вместе с условиями, при которых оно получено. Формулировка вроде «остаточная деформация — 15 %» без указания температуры, времени, степени сжатия и методики сама по себе малоинформативна.

Что требуется для проведения испытания

Для полноценной реализации метода необходим комплекс оборудования:

• устройство с параллельными плитами и проставками для фиксированного сжатия образцов;
• точный толщиномер;
• средства контроля времени;
• при испытании при повышенной температуре — термостат или температурная камера с требуемой стабильностью режима.

Универсальная испытательная машина не является обязательным основным устройством для длительной выдержки образца. Заданную деформацию сохраняет механическое приспособление с плитами и проставками.

Если же требуется дополнительно исследовать свойства резины до или после выдержки — например, провести растяжение или кратковременное сжатие, — тогда уже применяют соответствующую универсальную испытательную машину.

Остаточная деформация и работа резинового уплотнения

Для уплотнительного материала способность восстанавливаться после длительного сжатия напрямую связана с сохранением контактного давления.

Если материал постепенно приобретает форму сжатого зазора и плохо восстанавливает толщину, после изменения положения деталей или изменения температуры он уже не способен компенсировать возникший зазор так же эффективно. Поэтому показатель особенно важен для:

уплотнительных колец, манжет, прокладок, мембран, амортизирующих элементов и других деталей, длительно работающих в деформированном состоянии.

Однако остаточная деформация не является единственной характеристикой качества резины. Её следует рассматривать вместе с твёрдостью, результатами испытания резины на растяжение, поведением при кратковременном сжатии и температурной стойкостью.