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篇一:[材料弹性指标]材料性能知识大全
关于拉伸力-伸长曲线和应力-应变曲线的问题
低碳钢的应力－应变曲线
a、拉伸过程的变形：
弹性变形，屈服变形，加工硬化（均匀塑性变形），不均匀集中塑性变形。
b、相关公式：
工程应力 σ=F/A0 ；工程应变ε=ΔL/L0；比例极限σP；弹性极限σε；屈服点σS；抗拉强度σb；断裂强度σk。
真应变 e=ln(L/L0)=ln(1+ε) ；真应力 s=σ(1+ε)= σ*eε 指数e为真应变。
c、相关理论：
真应变总是小于工程应变，且变形量越大，二者差距越大；真应力大于工程应力。
弹性变形阶段，真应力—真应变曲线和应力—应变曲线基本吻合；塑性变形阶段两者出线显著差异。
关于弹性变形的问题
a、相关概念
弹性：表征材料弹性变形的能力
刚度：表征材料弹性变形的抗力
弹性模量：反映弹性变形应力和应变关系的常数， E=σ/ε；工程上也称刚度，表征材料对弹性变形的抗力。
弹性比功：称弹性比能或应变比能，是材料在弹性变形过程中吸收变形功的能力，评价材料弹性的好坏。
包申格效应：金属材料经预先加载产生少量塑性变形，再同向加载，规定残余伸长应力增加；反向加载，规定残余伸长应力降低的现象。
滞弹性：（弹性后效）是指材料在快速加载或卸载后，随时间的延长而产生的附加弹性应变的性能。
弹性滞后环：非理想弹性的情况下，由于应力和应变不同步，使加载线与卸载线不重合而形成一封闭回线。
金属材料在交变载荷作用下吸收不可逆变形功的能力，称为金属的循环韧性，也叫内耗
b、相关理论：
弹性变形都是可逆的。
理想弹性变形具有单值性、可逆性，瞬时性。但由于实际金属为多晶体并存在各种缺陷，弹性变形时，并不是完整的。
弹性变形本质是构成材料的原子或离子或分子自平衡位置产生可逆变形的反映
单晶体和多晶体金属的弹性模量，主要取决于金属原子本性和晶体类型。
包申格效应；滞弹性；伪弹性；粘弹性。
包申格效应消除方法：预先大塑性变形，回复或再结晶温度下退火。
循环韧性表示材料的消震能力。
关于塑形变形的问题
a、相关概念
滑移：滑移系越多，塑性越好；滑移系不是唯一因素（晶格阻力等因素）；滑移面——受温度、成分和变形的影响；滑移方向——比较稳定
孪生：fcc、bcc、hcp都能以孪生产生塑性变形；一般在低温、高速条件下发生；变形量小，调整滑移面的方向
屈服现象：退火、正火、调质的中、低碳钢和低合金钢比较常见，分为不连续屈服和连续屈服；
屈服点：材料在拉伸屈服时对应的应力值，σs；
上屈服点：试样发生屈服而力首次下降前的最大应力值，σsu；
下屈服点：试样屈服阶段中最小应力，σsl；
屈服平台（屈服齿）：屈服伸长对应的水平线段或者曲折线段；
吕德斯带：不均匀变形；对于冲压件，不容许出现，防止产生褶皱。
屈服强度：表征材料对微量塑性变形的抗力
连续屈服曲线的屈服强度：用规定微量塑性伸长应力表征材料对微量塑性变形的抗力
（1）规定非比例伸长应力σp：
（2）规定残余伸长应力σr：试样卸除拉伸力后，其标距部分的残余伸长达到规定的原始标距百分比时的应力；残余伸长的百分比为0.2%时，记为σr0.2
（3）规定总伸长应力σt：试样标距部分的总伸长（弹性伸长加塑性伸长）达到规定的原始标距百分比时的应力。
晶格阻力（派纳力）；位错交互作用阻力
Hollomon公式： S=Ken ，S为真应力，e为真应变；n—硬化指数0.1~0.5，n=1,完全理想弹性体，n=0，没有硬化能力；K——硬化系数
缩颈是：韧性金属材料在拉伸试验时变形集中于局部区域的特殊现象。
抗拉强度：韧性金属试样拉断过程中最大试验力所对应的应力。代表金属材料所能承受的最大拉伸应力，表征金属材料对最大均匀塑性变形的抗力。与应变硬化指数和应变硬化系数有关。等于最大拉应力比上原始横截面积。
塑性是指金属材料断裂前发生不可逆永久（塑性）变形的能力。
b、相关理论
常见的塑性变形方式：滑移，孪生，晶界的滑动，扩散性蠕变。
塑性变形的特点：各晶粒变形的不同时性和不均匀性（取向不同；各晶粒力学性能的差异）；各晶粒变形的相互协调性（金属是一个连续的整体，多系滑移；Von Mises 至少5个独立的滑移系）。
硬化指数的测定：①试验方法；②作图法lgS=lgK+nlge
硬化指数的影响因素：与层错能有关,层错能下降，硬化指数升高；对金属材料的冷热变形也十分敏感；与应变硬化速率并不相等。
缩颈的判据（失稳临界条件）拉伸失稳或缩颈的判据应为dF=0
两个塑性指标：断后伸长率δ=(L1-L0)/LO*100%；
断后收缩率：ψ=(A0-A1)/A0*100%
ψ>δ，形成为缩颈
ψ=δ或ψ<δ，不形成缩颈
关于金属的韧度断裂问题
a、相关概念
韧性：断裂前吸收塑性变形功和断裂功的能力
韧度：单位体积材料断裂前所吸收的功
韧性断裂：裂纹缓慢扩展过程中消耗能量；断裂最先发生在纤维区，然后快速扩展形成放射最后断裂形成剪切唇，放射区在裂纹快速扩展过程中形成，一般放射区汇聚方向指向裂纹源。
脆性断裂：基本不产生塑性变形，危害性大。低应力脆断，工作应力很低，一般低于屈服极限；脆断裂纹总是从内部的宏观缺陷处开始；温度降低，应变速度增加，脆断倾向增加。
穿晶断裂：裂纹穿过晶内，可以是韧性断裂，也可以是脆性断裂，断口明亮。
沿晶断裂：裂纹沿晶界扩展，都是脆性断裂，由晶界处的脆性第二相等造成，断口相对灰暗。穿晶断裂和沿晶断裂可混合发生。高温下，多由穿晶断裂转为沿晶韧性断裂。
沿晶断裂断口：断口冰糖状；若晶粒细小，断口呈晶粒状。
剪切断裂：材料在切应力作用下沿滑移面滑移分离而造成的断裂。（滑断、微孔聚集型断裂）
解理断裂：材料在正应力作用下，由于原于间结合键的破坏引起的沿特定晶面发生的脆性穿晶断裂。
金属的强度就是指金属材料原子间结合力的大小，一般说金属熔点高，弹性模量大，热膨胀系数小则其原子间结合力大，断裂强度高。断裂的实质就是外力作用下材料沿某个原子面分开的过程。
格里菲思理论：从热力学观点看，凡是使能量减低的过程都将自发进行，凡使能量升高的过程必将停止，除非外界提供能量。Griffth指出，由于裂纹存在，系统弹性能降低，与因存在裂纹而增加的表面能平衡。如弹性能降低足以满足表面能增加，裂纹就会失稳扩展，引起脆性破坏。
b、相关理论
断裂三种主要的失效形式：磨损、腐蚀、断裂
多数金属的断裂包括裂纹的形成和扩展两个阶段。
按断裂的性态：韧性断裂和脆性断裂；按裂纹扩展路径：穿晶断裂和沿晶断裂；按断裂机制：解理断裂和剪切断裂
韧性断裂和脆性断裂：根据材料断裂前产生的宏观塑性变形量的大小来确定。通常脆性断裂也会发生微量的塑性变形，一般规定断面收缩率小于5％则为脆性断裂。反之大于5％的为韧性断裂。
脆性断口平齐而光亮，与正应力垂直，断口常呈人字纹或放射花样。
解理断裂是沿特定的晶面发生的脆性穿晶断裂，通常总沿一定的晶面分离。
解理断裂总是脆性断裂，但脆性断裂不一定是解理断裂。
常见的裂纹形成理论：①位错塞积理论 ②位错反应理论
解理与准解理
共同点：穿晶断裂；有小解理刻面；台阶及河流花样
不同点：①准解理小刻面不是晶体学解理面②解理裂纹常源于晶界，准解理裂纹常源于晶内硬质点。准解理不是一种独立的断裂机理，而是解理断裂的变种。
格雷菲斯理论是根据热力学原理得出的断裂发生的必要条件，但并不意味着事实上一定断裂。裂纹自动扩展的充分条件是尖端应力等于或大于理论断裂强度。
关于硬度的问题
a、硬度概念
硬度是衡量金属材料软硬程度的一种性能指标。
b、硬度试验方法:
划痕法——表征金属切断强度
回跳法——表征金属弹性变形功
压入法——表征塑性变形抗力及应变硬化能力
布氏硬度
压头：淬火钢球（HBS），硬质合金球（HBW）
载荷：3000Kg 硬质合金，500Kg 软质材料
保载时间：10-15s 黑色金属，30s 有色金属
压痕相似原理
只用一种标准的载荷和钢球直径,不能同时适应硬的材料或者软的材料。为保证不同载荷和直径测量的硬度值之间可比，压痕必须满足几何相似。
布氏硬度表示方法：600HBW1/30/20
①度值，②符号HBW，③球直径，④试验力(1kgf=9.80665N)，⑤试验力保持时间
布氏硬度试验的优缺点：
优点：压头直径较大→压痕面积较大→硬度值可反映金属在较大范围内各组成相的平均性能，不受个别组成相及微小不均匀性的影响。
缺点：对不同材料需更换压头直径和改变试验力，压痕测量麻烦，自动检测受到限制；压痕较大时不宜在成品上试验
洛氏硬度
以测量压痕深度表示材料硬度值。
压头有两种：α＝120°的金刚石圆锥体，一定直径的淬火钢球。
洛氏硬度试验优缺点：
优点：操作简便、迅速，硬度可直接读出；压痕较小，可在工件上试验；用不同标尺可测定软硬不同和厚薄不一的试样。
缺点：压痕较小，代表性差；材料若有偏析及组织不均匀等缺陷，测试值重复性差，分散度大；用不同标尺测得的硬度值没有联系，不能直接比较。
维氏硬度
原理与布氏硬度试验相同，根据单位面积所承受的试验力计算硬度值。不同的是维氏硬度的压头是两个相对面夹角α为136°的金刚石四棱锥体。
努氏硬度
与维氏硬度的区别1）压头形状不同；2）硬度值不是试验力除以压痕表面积，而是除以压痕投影面积
肖氏硬度
一种动载荷试验法，原理是将一定质量的带有金刚石圆头或钢球的重锤，从一定高度落于金属试样表面，根据重锤回跳的高度来表征金属硬度值大小，也称回跳硬度。用HS表示。
里氏硬度
动载荷试验法，用规定质量的冲击体在弹力作用下以一定的速度冲击试样表面，用冲头的回弹速度表征金属的硬度值。用HL表示。
关于金属在冲击载荷下的力学性能
a、相关概念
冲击韧性：指材料在冲击载荷作用下吸收塑性变形功和断裂功的能力，常用标准试样的冲击吸收功AK表示。
冲击测量参数：测量冲击脆断后的冲击吸收功（AkU或AKV），冲击吸收功并不能真正反映材料的韧脆程度（冲击吸收功 并非完全用于试样变形和破坏）
低温脆性:体心立方或某些密排六方晶体金属及合金，当试验温度低于某一温度tk或温度区间时，材料由韧性状态变为脆性状态，冲击吸收功明显下降，断裂机理由微孔聚集变为穿晶解理，断口特征由纤维状变为结晶状。tk或温度区间称为韧脆转变温度，又称冷脆转变温度。
b、相关理论
韧脆的评价方法：材料的缺口冲击弯曲试验，材料的冲击韧性
韧脆的影响因素：温度（低温脆性）；应力状态（三向拉应力状态）；变形速度的影响（冲击脆断）
低温脆性的本质：低温脆性是材料屈服强度随温度降低急剧增加的结果。屈服强度σs的随温度降低而升高，而断裂强度σc随温度变化很小。
t>tk ,σc >σs ,先屈服再断裂；t<tk,σc <σs ,脆性断裂
韧脆转变温度是金属材料的韧性指标，它反映了温度对韧脆性的影响。
影响韧脆转变温度的冶金因素：
晶体结构：体心立方金属及其合金存在低温脆性。普通中、低强度钢的基体是体心立方点阵的铁素体，故这类钢有明显的低温脆性。
化学成分：间隙溶质元素溶入铁素体基体中，偏聚于 位错线附近，阻碍位 错运动，致σs升高， 钢的韧脆转变温度提高。
显微组织：晶粒大小，细化晶粒使材料韧性增加；减小亚晶和胞状结构尺寸也能提高韧性。
细化晶粒提高韧性的原因：晶界是裂纹扩展的阻力；晶界前塞积的位错数减少，有利于降低应力集中；晶界总面积增加，使晶界上杂质浓度减少，避免产生沿 晶脆性断裂。
金相组织
关于金属疲劳的问题
a、金属疲劳现象
b、金属疲劳特点
c、金属疲劳宏观断口
d、疲劳曲线及基本疲劳力学性能
e、疲劳过程及机理
f、如何提高疲劳强度
g、影响疲劳强度的主要因素
h、低周疲劳
······
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篇二:[材料弹性指标]不会选材，不懂材料性能…有这70张材料性能对比高清图就够了！
1
杨氏模量-密度
刚性或/和轻质部件选材参考
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1、需要较硬的材料时，如顶梁，自行车架等，选择图表顶部的材料。
2、需要低密度的材料，如包装泡沫等，选择图表左侧的材料。
3、刚性和轻质兼具的材料很难找到，复合材料往往是个不错的选择。
杨氏模量（Young‘smodulus），又称拉伸模量，是弹性模量中最常见的一种。杨氏模量衡量的是一个各向同性弹性体的刚度，与弹性模量是包含关系，除了杨氏模量以外，弹性模量还包括体积模量和剪切模量等。
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材料大类
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金属与合金
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聚合物
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陶瓷
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木与木制品
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复合材料
2
杨氏模量-成本
刚性或/和低成本部件选材参考
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1、需要较硬的材料时，如顶梁，自行车架等，选择图表顶部的材料
2、需要低成本的材料，如包装泡沫等，选择图表左侧的材料。
3、需要廉价且坚硬的材料，则选择图表左上方的材料，大多为金属和陶瓷。
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材料大类
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金属与合金
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聚合物
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陶瓷
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木与木制品
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复合材料
3
强度-密度
高强度或/和低密度部件选材参考
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1、下图标识的强度为拉伸强度，除了陶瓷为抗压强度。
2、高强度且低密度的材料位于图形的左上部分。
强度是指零件承受载荷后抵抗发生断裂或超过容许限度的残余变形的能力。也就是说，强度是衡量零件本身承载能力（即抵抗失效能力）的重要指标。
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材料大类
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金属与合金
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聚合物
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陶瓷
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木与木制品
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复合材料
4
强度-成本
高强度或/和低成本部件选材参考
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1、下图标识的强度为拉伸强度，除了陶瓷为抗压强度。
2、许多应用要求材料具有较高的强度，如螺丝刀、安全带等，但是他们通常都比较贵，只有极少数的材料能同时满足强度和成本的要求（左上部分）。
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材料大类
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金属与合金
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聚合物
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陶瓷
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木与木制品
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复合材料
5
强度-韧性
高强度或/和高韧性部件选材参考
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1、下图标识的强度为拉伸强度，除了陶瓷为抗压强度。
2、通常韧性不好强度也不会很高，提高强度时很可能会使韧性下降。
强度是指零件承受载荷后抵抗发生断裂或超过容许限度的残余变形的能力。也就是说，强度是衡量零件本身承载能力（即抵抗失效能力）的重要指标。
韧性为材料在塑性变形和断裂过程中吸收能量的能力。韧性越好，则发生脆性断裂的可能性越小。韧性可在材料科学及冶金学上，韧性是指当承受应力时对折断的抵抗，其定义为材料在破裂前所能吸收的能量与体积的比值。
强度和韧性的关系：强度是指抵抗外力的能力如抗拉强度，韧性是材料抵抗变形破坏的能力，如抗弯抗扭及冲击。
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材料大类
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金属与合金
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聚合物
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陶瓷
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木与木制品
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复合材料
6
强度-断裂伸长率
高强度或/和高弹性部件选材参考
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1、陶瓷具有非常低的伸长率（
2、金属具有中等的断裂伸长率（1-50％）；
3、热塑性塑料具有较大的伸长率（>100%）；
4、橡胶具有长期弹性伸长率；
5、热固性聚合物具有较低的伸长率（
断裂伸长率 （elongation at break），试样在拉断时的位移值与原长的比值。以百分比表示（%）。
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材料大类
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金属与合金
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聚合物
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陶瓷
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木与木制品
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复合材料
7
强度-最高工作温度
高强度或/和高工作温度环境部件选材参考
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1、下图适用于材料的使用环境中工作温度高于室温的组件，如炊具，汽车发动机和排气管等。
2、聚合物的最高工作温度较低，金属的最高工作温度居中，陶瓷能够承受非常高的温度。热塑性聚合物的最高工作温度低于热固性聚合物。
最高工作温度表示工程材料在此温度下工作时强度急剧下降的最高温度。
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材料大类
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金属与合金
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聚合物
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陶瓷
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木与木制品
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复合材料
8
比强度-比刚度
高刚度和/或高强度与低重量的部件选材参考
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1、比强度为强度/材料密度，比刚度为刚度/材料密度。
2、通常高强度和高刚度是同时存在的，因为他们很大程度上取决于原子之间的结合力。
材料刚度简称刚度，即材料力学中的弹性模量。它是表征材料抵抗弹性变形能力的力学性能指标。指材料抵抗变形的能力，即引起单位变形时所需要的应力。一般是针对构件或结构而言的。它的大小不仅与材料本身的性质有关，而且与构件或结构的截面和形状有关。
强度：材料在规定的荷载作用下，材料发生破坏时的应力称为强度，要求不破坏的要求，称为强度要求。根据外力作用方式不同，材料的抗拉强度、抗压强度、抗剪强度等。
刚度和强度的区别：刚度是抵抗变形的能力，强度是抵抗破坏的能力。刚度是强调不变形，或变形小；强度是强调可靠性，即不能失效。
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材料大类
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金属与合金
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聚合物
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陶瓷
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木与木制品
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复合材料
9
电阻率-成本
电性能或/和低成本部件选材参考
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1、下图主要用于需要较低的价格以及良好的电绝缘性（如插头外壳）或良好的导电性（例如电力电缆）组件时选材参考。
2、良好的电导体通常是良好的热导体和良好的电绝缘体是良好的热绝缘体，所以下图也可用于需要良好的热绝缘（例如用于窑壁）或热传导性（例如，用于煎锅）产品的选材参考。
电阻率是用来表示各种物质电阻特性的物理量。某种物质所制成的原件（常温下20°C）的电阻与横截面积的乘积与长度的比值叫做这种物质的电阻率。单位：Ω·m。
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材料大类
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金属与合金
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聚合物
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陶瓷
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木与木制品
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复合材料
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可回收性-成本
可回收或/和低成本部件选材参考
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1、下图只要用于识别材料的可回收性特征，特别是那些既昂贵又可回收的材料应该投入更多。
2、尽管成本高，复合材料却难以回收，因为很难将纤维和基体分开。
3、热塑性塑料常常可以回收利用。热固性塑料可回收性低。
4、金属是特别适合于回收，因为它们可以容易地排序，重熔。
5、陶瓷几乎从未再循环。
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材料大类
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金属与合金
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聚合物
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陶瓷
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木与木制品
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复合材料
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生产耗能-成本
环境影响小或/和低成本部件选材参考
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1、生产某种材料所需消耗多大的能量是原料成本的一个因素。所以是大部分材料都位于左下角（低成本/低能耗）或右上（高成本/高能耗）。
2、测量生产材料消耗的能量是困难的，包括：收集原材料所需的能量/矿料，提取或合成它所需的能量。
3、聚合物是通过提炼和加工碳氢化合物中提炼出来的，所需的能量居中；
4、建筑材料，如混凝土，砖和木材需要较少的能量来产生它们，因此是价格较低；
5、金属通常是从它们的氧化物中提取，这占用了大量的能量，例如，在美国的能源消耗总量的二十分之一是用来生产铝。
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材料大类
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金属与合金
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聚合物
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陶瓷
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木与木制品
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复合材料
备注：本文所有图片来源于www-materials.eng.cam.ac.uk，新材料在线编译整理。
篇三:[材料弹性指标]橡胶沥青弹性恢复性能指标的对比试验研究
? 橡胶沥青弹性恢复性能指标的对比试验研究
橡胶沥青弹性恢复性能指标的对比试验研究 王铁庆1,2，杨人凤1，李爱国3，陈 磊4，周 波4 (1.长安大学 道路施工技术与装备教育部重点实验室，陕西 西安 710064； 2.西北农林科技大学 机械与电子工程学院，陕西 杨凌 712100； 3.陕西省交通建设集团公司，陕西 西安 710075；4.中国中铁十局集团有限公司，山东 济南 250101) 摘要： 为了研究弹性恢复和回弹恢复在反应橡胶沥青弹性恢复性能方面的差异以及两者之间的相关性，进行了不同条件下的橡胶沥青性能试验。结果表明：胶粉掺量在18%～24%范围内，两指标与胶粉掺量、Haake黏度(177 ℃)以及两指标之间均线性正相关，回弹恢复对胶粉掺量及其引起的黏度变化更敏感，两指标在反应胶粉掺量对弹性恢复性能的影响方面具有很好的等效性。反应温度在170～200 ℃范围内，弹性恢复受温度影响更显著，两指标受反应温度影响的规律不完全一致，回弹恢复和Haake黏度的规律一致。反应时间在45 min～4 h内，两指标与反应时间、Haake黏度以及两指标之间均线性正相关，弹性恢复对反应时间及其引起的黏度变化更敏感，两指标在表征反应时间对弹性恢复性能的影响方面较为一致。 关键词： 道路工程；橡胶沥青；相关性分析；弹性恢复；回弹恢复；性能指标 0 引言 橡胶沥青材料不但具有优异的高温稳定性、低温抗裂性、抗疲劳性、低噪声等路用性能，而且能够获得废物利用、环境保护的综合效益，因而受到公路界越来越多的关注和重视[1-6]。橡胶沥青优异的路用性能与其良好的弹性恢复性能是分不开的。良好的弹性恢复性能可以减小路面材料在荷载作用下的残余变形，提高路面的疲劳强度，减少路面损坏。美国California州的橡胶沥青技术指南中明确指出，弹性恢复是表示橡胶沥青抗疲劳和抗反射裂缝方面现场性能最好的指标，弹性恢复指标是评价橡胶沥青技术性能的一个重要指标。高黏度、高弹性是橡胶沥青的特性，橡胶沥青的核心技术指标应选择黏度、弹性恢复等[7]。 然而，在橡胶沥青的应用过程中，对于其弹性恢复性能评价指标的采用并不统一。美国ASTM、Arizona州、California州和Texas州的橡胶沥青技术标准中采用回弹恢复(Resilience)(或称作压球弹性恢复、回弹率等)作为橡胶沥青弹性恢复性能的评价指标。我国一些学者在橡胶沥青的科学研究或推广应用中，对于橡胶沥青弹性恢复性能的评价，采用了和美国一致的回弹恢复指标[2，8-11]，而国内大部分关于橡胶沥青的技术标准和研究应用中，采用和改性沥青试验方法(T0662—2000)一致的弹性恢复(Elastic recovery)指标来评价橡胶沥青的弹性恢复性能[5-7,12-15]。那么，两种指标——弹性恢复和回弹恢复在反映或评价橡胶沥青弹性恢复性能方面有无差异，两者之间的相关关系或等效性怎样，这些是值得进一步研究的问题。杨人凤等认为对于橡胶沥青这种非均质的两相材料，由于其拉伸能力远差于普通沥青，对于其弹性恢复能力的测试不能采用普通沥青弹性恢复能力的试验方法，而可以用回弹性试验(Resilience Test)来评价[10]，但没有对这两种反应弹性恢复能力的指标进行对比试验。刘少文等通过研究指出，相比于弹性恢复，回弹恢复是评价橡胶沥青弹性恢复能力的更为合理的试验方法与指标，它更为准确地表征了橡胶沥青在较小变形(毫米级)范围的良好弹性性能。研究分别采用了弹性恢复和回弹恢复试验对橡胶沥青和SBS改性沥青进行了对比[11]，但没有对弹性恢复和回弹恢复在反应或评价橡胶沥青弹性恢复性能方面的差异，以及两种评价指标之间的相关性或等效性进行研究。鉴于此，为了获得橡胶沥青的这两种评价指标之间的差异和相关性，也为实际施工中合理选用橡胶沥青弹性性能评价指标提供依据，本研究在不同工艺条件下制备了橡胶沥青，进行了弹性恢复和回弹恢复指标检测试验，对橡胶沥青弹性恢复和回弹恢复两种指标之间的差异、与橡胶沥青黏度指标的相关性、以及两指标之间的相关关系进行了研究。 1 弹性恢复与回弹恢复试验方法 弹性恢复试验(T0662—2000)在25 ℃水浴条件下进行，在延度试验仪上把橡胶沥青试样以(5±0.25) cm/min的速率拉伸至(10±0.25) cm时停止，并迅速从中间剪断，使试样保持在25 ℃水浴中1 h，然后根据测得的试件残余长度计算其弹性恢复率。弹性恢复率表示了试样材料被拉长一定长度后可恢复变形的百分率。 回弹恢复试验(ASTM D5329)是用来测量粘结剂材料在受到挤压后回弹能力的试验，也可用来评价水泥和沥青路面裂缝和接缝密封填充材料的弹性恢复能力[16]。回弹恢复试验可以在针入度试验装置上实施，也可在锥入度仪上进行，但需用一个圆球贯入工具来取代标准的试针或圆锥贯入杆，具体的试验方法见参考文献[2，16]。 2 试验原材料 基质沥青采用国外进口壳牌90#A级道路石油沥青，其主要技术指标见表1。废胎胶粉采用湖南产30目常温研磨粉碎的货车子午胎胶粉，其物理和化学技术指标见表2、表3(表中含量为质量分数)。 3 试验方案和试验结果 橡胶沥青的原材料确定之后，胶粉掺量、反应温度和反应时间是影响橡胶沥青性能品质最重要的生产工艺因素，因此，需要在不同的工艺条件下研究橡胶沥青弹性恢复和回弹恢复性能指标的差异和相关性。
表1 基质沥青主要技术指标
Tab.1 Main technical indexes of base asphalt
检测项目检测结果密度(25℃)/(g·cm-3)1.034针入度(25℃)/(0.1mm)91延度(15℃)/cm>100软化点/℃45.6
表2 废胎胶粉物理指标
Tab.2 Physical indexes of crumb rubber
检测项目检测结果技术要求相对密度/(g·cm-3)1.211.10～1.30水分/%0.971金属含量>0.05纤维含量>
表3 废胎胶粉化学指标(单位：%)
Tab.3 Chemical indexes of crumb rubber(unit：%)
检测项目检测结果技术要求灰分含量8≤8丙酮抽出物6.2≤16炭黑含量28≥28橡胶烃含量58≥42
首先进行了不同胶粉掺量条件下橡胶沥青制备及性能检测试验：在湿法工艺制备橡胶沥青常用的胶粉掺量范围内，选取18%，20%，21%，22%和24%，5种橡胶粉掺量(占基质沥青质量)，用强力搅拌器将沥青与橡胶粉混合搅拌，反应温度严格控制在180 ℃，反应时间设定为45 min，橡胶沥青制备好后进行弹性恢复、回弹恢复以及黏度指标的检测试验，试验结果见表4。其次进行了不同反应温度条件下橡胶沥青试验：根据前期试验结果，在胶粉掺量为21%、反应时间为45 min的条件下，分别进行了170，180，190，200 ℃温度下橡胶沥青制备和性能指标检测试验，试验结果见表5。最后进行了不同反应时间条件下的橡胶沥青试验：参考目前我国、美国及南非对橡胶沥青反应时间的一般要求[12]，在反应时间分别为45 min，2 h和4 h的情况下进行橡胶沥青制备及性能检测试验，其中胶粉掺量均为21%，反应温度均为180 ℃，试验结果见表6。
表4 不同胶粉掺量橡胶沥青性能指标检测值
Tab.4 Tested performance index values of rubber
asphalt with different crumb rubber contents
胶粉掺量/%弹性恢复(25℃)/%回弹恢复(25℃)/%Haake黏度(177℃)/(Pa·s)187123.71.10207126.22.25217835.82.71228140.64.32248241.44.55
注：Haake黏度是采用Haake黏度计测得的黏度值。
表5 不同反应温度橡胶沥青性能指标检测值
Tab.5 Tested performance index values of rubber
asphalt at different reaction temperatures
反应温度/℃弹性恢复(25℃)/%回弹恢复(25℃)/%Haake黏度(177℃)/(Pa·s)1706935.62.241807835.82.711907837.52.812008235.02.76
表6 不同反应时间橡胶沥青性能指标检测值
Tab.6 Tested performance index values of rubber
asphalt with different reaction time
反应时间弹性恢复(25℃)/%回弹恢复(25℃)/%Haake黏度(177℃)/(Pa·s)45min7835.82.712h8235.93.264h8536.33.41
4 试验结果分析 4.1 不同条件下两种弹性恢复指标对比分析 (1)不同胶粉掺量下两种弹性恢复指标对比 根据表4的数据，橡胶沥青弹性恢复和回弹恢复指标检测值的散点图及拟合曲线如图1所示。由于试验方法和原理的差别，橡胶沥青的弹性恢复值大于回弹恢复值，两种指标的数值分布范围明显不同。从拟合曲线看，胶粉掺量在18%～24%的范围内，弹性恢复和回弹恢复与胶粉掺量均近似为线性关系，并随着胶粉掺量的增加而增大，但回弹恢复拟合直线的斜率大于弹性恢复，说明回弹恢复对橡胶沥青中胶粉掺量的变化更为敏感，即胶粉掺量对橡胶沥青回弹恢复指标的影响更显著一些，关系更密切。
图1 不同胶粉掺量橡胶沥青弹性恢复和回弹恢复对比(单位：%)Fig.1 Comparison of elastic recovery and resilience of rubber asphalt with different crumb rubber contents(unit:%)
(2)不同反应温度下两种弹性恢复指标对比 根据表5的数据，橡胶沥青弹性恢复和回弹恢复指标随反应温度的变化规律如图2所示。不同温度下仍然是橡胶沥青的弹性恢复值大于回弹恢复值。从图中曲线可看出，总体上回弹恢复指标的变化曲线较为平缓，而弹性恢复指标随反应温度变化的显著性更强一些，即反应温度对弹性恢复的影响总体上强于对回弹恢复的影响。此外，弹性恢复和回弹恢复受反应温度影响的规律并不完全一致：反应温度从170 ℃增加至200 ℃的过程中，弹性恢复在170 ℃ 时最小而200 ℃时数值最大；回弹恢复呈现出先增加后减小的规律，在190 ℃时数值最大。
图2 不同反应温度下橡胶沥青性能指标变化规律Fig.2 Performance index variations of rubber asphalt at different reaction temperatures
(3)不同反应时间下两种弹性恢复指标对比 根据表6，不同反应时间橡胶沥青弹性恢复和回弹恢复检测值的散点图及拟合曲线如图3所示。从拟合曲线看，反应时间从45 min至4 h，弹性恢复和回弹恢复与反应时间均近似于线性关系，相关系数较大，并均随着反应时间的延长而增大；弹性恢复拟合直线的斜率远大于回弹恢复，说明弹性恢复对橡胶沥青反应时间的变化更敏感，即反应时间对橡胶沥青弹性恢复指标的影响更显著，而对回弹恢复的影响不显著。
图3 不同反应时间弹性恢复和回弹恢复对比Fig.3 Comparison of elastic recovery and resilience with different reaction time
4.2 两种弹性恢复指标与黏度的相关性对比 高温黏度是橡胶沥青的核心性能指标，也是橡胶沥青施工现场控制的主要技术指标，黏度大的橡胶沥青在载荷作用下产生较小的剪切变形，与沥青混合料的动稳定度有很好的相关关系。因此，有必要对弹性恢复和回弹恢复与橡胶沥青高温黏度的相关性进行一下对比研究。 不同胶粉掺量下橡胶沥青弹性恢复和回弹恢复与Haake黏度(177 ℃)的相关关系曲线见图4。从图4可知，两种弹性恢复性能指标与Haake黏度(177 ℃)均近似为线性关系，随着黏度的增加而增大，但回弹恢复与黏度的线性相关性更强一些，拟合直线的斜率也较大，对胶粉掺量不同引起的黏度变化反应更灵敏。
图4 不同胶粉掺量下弹性恢复和回弹恢复与黏度的相关性Fig.4 Correlations of elastic recovery, resilience and viscosity with different crumb rubber contents
不同反应温度下两种弹性恢复性能指标与Haake黏度(177 ℃)的变化规律见图2。从表5中的数据和图2可知，随着反应温度增加，回弹恢复和Haake黏度均呈现先增大后减小的规律，在190 ℃时达到最大值，一致性较好，而弹性恢复和Haake黏度在180～200 ℃范围内的变化规律并不一致。 不同反应时间橡胶沥青弹性恢复和回弹恢复与Haake黏度(177 ℃)的相关关系见图5。从图5可知，两种弹性恢复性能指标与Haake黏度均近似为线性关系，且随着黏度的增加而增大；弹性恢复与Haake黏度的线性相关性较好，拟合直线的斜率也较大，对反应时间不同引起的黏度变化反应更灵敏；回弹恢复与Haake黏度相关系数较小，且拟合直线的斜率很小，对反应时间引起的黏度变化不敏感。
图5 不同反应时间弹性恢复和回弹恢复与黏度的相关性Fig.5 Correlations of elastic recovery, resilience and viscosity with different reaction time
4.3 弹性恢复和回弹恢复相关性分析 根据表4，不同胶粉掺量下橡胶沥青回弹恢复和弹性恢复的相关关系如图6所示。从图6可看出，两种性能指标的线性相关系数接近于1，正相关性很好，说明两种指标在反应或评价胶粉掺量对橡胶沥青弹性恢复性能的影响方面具有很高的等效性；图中拟合直线的斜率大于1，说明回弹恢复比弹性恢复的变化率大。
图6 不同胶粉掺量回弹恢复和弹性恢复的相关关系(单位：%)Fig.6 Correlation between resilience and elastic recovery with different crumb rubber contents(unit:%)
根据表5，不同反应温度橡胶沥青的回弹恢复和弹性恢复的相关关系如图7所示。从图7可看出，两种弹性恢复性能指标的相关拟合曲线近似为开口向下的抛物线，说明在反映或评价反应温度对橡胶沥青弹性恢复性能的影响方面，两种指标得出的规律存在一定的差异，并不完全一致。反应温度在170～190 ℃时，随着温度升高胶粉与基质沥青的溶胀反应不断加强，橡胶沥青弹性性能增强，回弹恢复和弹性恢复均增大。当温度达到200 ℃时，沥青中的橡胶粉加速降解，大颗粒变小，很多小颗粒将彻底溶解于沥青中。由于回弹恢复试验测试的是橡胶沥青受到挤压后的反弹能力，是基质沥青与橡胶粉颗粒共同起作用的结果，胶粉颗粒变小以及大量小颗粒的溶解势必弱化橡胶沥青中胶粉的反弹能力，从而使橡胶沥青的回弹恢复值减小；而弹性恢复试验表征的是橡胶沥青拉伸后的收缩能力，主要取决于基质沥青的性能，橡胶粉大量降解以后，减轻了橡胶沥青拉伸过程中胶粉颗粒与沥青界面的应力集中，从而使弹性恢复值增大。这就是图7中相关曲线近似为开口向下的抛物线的原因。
图7 不同反应温度回弹恢复和弹性恢复的相关关系(单位：%)Fig.7 Correlation between resilience and elastic recovery at different reaction temperatures(unit:%)
根据表6，不同反应时间橡胶沥青回弹恢复和弹性恢复的相关关系如图8所示。从图8可知，两种性能指标的相关关系接近于线性关系(相关系数小于图6中的相关系数)，具有正相关性，说明两种指标在表征不同反应时间对橡胶沥青弹性恢复性能的影响方面具有一致性；图中拟合直线的斜率很小，说明回弹恢复的变化率远小于弹性恢复指标的变化率。
图8 不同反应时间回弹恢复和弹性恢复的相关关系(单位：%)Fig.8 Correlation between resilience and elastic recovery with different reaction time(unit:%)
4.4 两种评价指标试验结果差异的原因分析 弹性恢复与回弹恢复均用来表征橡胶沥青的黏弹性性质，但从以上试验结果来看，这两个指标存在一定差异，产生差异的原因至少可以从以下两个方面来解释：第一，两种指标的试验方法不同，橡胶沥青材料在这两种试验方法中的受力状态不同。弹性恢复试验中橡胶沥青是受拉伸伸长后的收缩恢复，其恢复能力主要取决于基质沥青的性能，而且试验过程中橡胶沥青的变形量较大；回弹恢复试验中橡胶沥青是受到挤压后的反弹恢复，其恢复能力由基质沥青和橡胶粉颗粒共同起作用，而且橡胶沥青是在较小范围(毫米级)内的变形。第二，对于弹性恢复试验，橡胶沥青在受拉伸过程中，由于橡胶沥青为两相材料，橡胶粉颗粒与基质沥青的界面处由于应力集中的存在容易发生分离，从而造成基质沥青局部的细微断裂，进而影响橡胶沥青的收缩恢复能力。从以上分析可知，回弹恢复试验中橡胶沥青的受力与变形状态和橡胶沥青胶结料在实际路面中的受力状态更为接近，而且试验结果不受橡胶粉与沥青界面应力集中的影响，因而作为橡胶沥青的弹性性能评价指标更具有合理性。 5 结论 (1)胶粉掺量在18%～24%范围内，弹性恢复和回弹恢复与胶粉掺量均近似为正相关的线性关系。反应温度在170～200 ℃范围内变化时，两种指标受反应温度影响的规律不完全一致。反应时间从45 min 至4 h，两种指标与反应时间均线性正相关。 (2)胶粉掺量在18%～24%范围内，两种指标与橡胶沥青Haake黏度(177 ℃)均线性正相关，但回弹恢复与黏度的相关性更强。反应温度在170～200 ℃范围内，回弹恢复和Haake黏度的变化规律一致。反应时间为45 min～4 h时，两种指标与Haake黏度均线性正相关，但弹性恢复与Haake黏度的相关性更好。 (3)橡胶沥青回弹恢复和弹性恢复两种指标在反应胶粉掺量对橡胶沥青弹性恢复性能的影响方面具有很好的等效性，在表征反应温度对橡胶沥青弹性恢复性能的影响方面存在一定的差异，在表征反应时间对橡胶沥青弹性恢复性能的影响方面具有一致性。 (4)相比于弹性恢复试验，回弹恢复试验中橡胶沥青的受力状态和在实际路面中的受力状态更接近，回弹恢复指标作为橡胶沥青的弹性性能评价指标更具有合理性。 参考文献： References: [1] 李方鸿,彭晓春,吴彦瑜. 废橡胶粉改性沥青的研究进展[J]. 热带农业工程, 2014, 38(2): 7-10. 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School of Mechanic & Electronic Engineering, Northwest A&F University, Yangling Shaanxi 712100, China;3.Shaanxi Provincial Communications Construction Group Corporation, Xi’an Shaanxi 710075, China;4.China Railway No.10 Engineering Group Co., Ltd., Jinan Shandong 250101，China) Abstract： In order to study the difference and correlation between elastic recovery and resilience in response to the elastic recovery performance of rubber asphalt, the performance tests of rubber asphalt are conducted under different conditions. The test result shows that (1) when the crumb rubber content is in the range of 18%-24%, the relation of the 2 indexes with crumb rubber content and Haake viscosity (177 ℃), and the relation between the 2 indexes are all positive linear correlations, resilience is more sensitive to the crumb rubber content and the viscosity change caused by it, and the 2 indexes have good equivalence in response to the influence of crumb rubber content on elastic recovery performance of rubber asphalt; (2) when the reaction temperature is in the range of 170-200 ℃, the elastic recovery is more significantly affected by temperature, the influence of reaction temperature on the 2 indexes are not completely consistent, and the rules of resilience and Haake viscosity affected by reaction temperature are consistent; (3) when the reaction time is in the range of 45 min-4 h, the relation of the 2 indexes with reaction time and Haake viscosity (177 ℃), and the relation between the 2 indexes are all positive linear correlations, elastic recovery is more sensitive to the reaction time and the viscosity change caused by it, and the 2 indexes have consistency in response to the influence of reaction time on the elastic recovery performance. Key words： road engineering; rubber asphalt; correlation analysis; elastic recovery; resilience; performance index 中图分类号： U414 文献标识码： A 文章编号： 1002-0268(2016)04-0032-07 doi:10.3969/j.issn.1002-0268.2016.04.006 作者简介：王铁庆(1980-)，男，河北文安人，博士研究生.([email protected]) 基金项目：陕西省交通厅科技项目(2014-02K) 收稿日期：2015-05-04
