金属橡胶压缩变形的细观物理机制

典型的金属橡胶成型方向的压缩变形曲线如图5-8所示。该曲线为一非线性曲线，其变化特征可分为线性、软特性和指数硬化三个阶段。由于在初始加载时载荷变形曲线近似为线性关系，因此将这一阶段定义为线性阶段（图5-8中第Ⅰ阶段，应变0～0.012 5）；随着压缩载荷的进一步增加，金属橡胶构件刚度在相对较长的变形区间内呈增加趋势，但变化比较缓慢，因此将这一阶段定义为软特性阶段（图5-8中第Ⅱ阶段，应变0.012 5～0.262 5）；软特性阶段后，随着载荷的增加金属橡胶构件的刚度呈指数形式迅速增加，因此将这一阶段定义为指数硬化阶段（图5-8第Ⅲ阶段，应变0.262 5～0.537 5）。金属橡胶压缩变形曲线的这一变化特征与金属橡胶内部曲梁的分布情况、弹性变形程度以及曲梁间的滑移模式有关，为了进一步揭示压缩变形曲线不同变形阶段金属橡胶内部曲梁变形机制，采用微位移放大机构对压缩变形进行分析。

图5-8　MR1构件的压缩变形曲线

通过微位移放大机构加载实验得到金属橡胶构件在不同变形区间的微位移载荷变形曲线［1］，如图5-9～图5-11所示。

1.变形的第Ⅰ阶段（线弹性阶段）

金属橡胶冲压成型后，其内部曲梁的分布及排列已基本固定，曲梁间已经存在一定的接触。在成型方向载荷的作用下，曲梁逐渐接触并产生弹性变形，但在较小变形时，可认为曲梁之间还没发生充分滑移，金属橡胶的刚度可认为是小曲梁刚度的逐次叠加，因此在该阶段刚度接近线性。通过这一阶段的微位移加载实验曲线分析（图5-9），发现加载曲线与位移近似为线性关系，曲线在局部出现了由曲梁刚度逐次叠加产生的小范围内的波动，但没有明显的跳动现象，这说明曲梁间还没有发生明显的滑移。这一阶段一般比较短暂，有时在相对密度较大的金属橡胶构件中可能观察不到。

图5-9　第Ⅰ阶段压缩变形曲线局部放大图

2.变形的第Ⅱ阶段（软特性阶段）

随着载荷的不断增加，曲梁的滑动驱动力会逐渐增大，当驱动力大于曲梁间的接触滑动摩擦力时，曲梁在接触点处产生的滑动会导致曲梁承载能力的减弱，但由于曲梁几何位置的改变及其他曲梁的限制约束，曲梁又将会恢复一部分承载能力，也就是图5-10中曲线跳跃的原因。滑动初期阶段以相对容易开启的正交滑移模式为主，随着变形的增加，一些以挤压模式接触的曲梁也开始滑动，同时一些以正交模式接触的曲梁也逐步转化为挤压模式（图5-12），但这一阶段以正交滑移为主。曲梁在滑动过程中长度会逐渐减小，接触点数量会逐渐增加，曲梁长度的减小会使其变形刚度变大，同时也会使曲梁间的滑动摩擦力增大，曲梁刚度、接触点数量及曲梁间滑移模式的改变使该阶段的刚度以非线性方式逐渐增加，但考虑到该阶段以正交滑移模式为主，以及滑移过程的逐次性，所以载荷增加比较缓慢，其宏观表现即加载曲线的软特性特征。

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图5-10　第Ⅱ阶段压缩变形曲线局部放大图

（a）第Ⅱ阶段初期；（b）第Ⅱ阶段后期

图5-11　第Ⅲ阶段压缩变形曲线局部放大图

图5-12　两种滑移模式百分比数目与压缩变形的关系

软特性阶段是金属橡胶的主要变形阶段，大量的工程应用也主要是利用了该阶段的力学特征。由于相互接触的曲梁之间发生了相对滑动，滑动过程中的摩擦引起了变形过程中能量的耗散。

3.变形的第Ⅲ阶段（指数硬化阶段）

随着载荷的进一步增加，曲梁的变形空间会越来越小，曲梁之间的相互干涉也逐步加剧，这会导致曲梁的长度迅速减小，接触点数量迅速增加，同时曲梁间的滑移模式也由以正交模式为主逐步转化为以挤压模式为主（图5-12），这些变化会使金属橡胶的压缩载荷和摩擦耗散能量迅速增加，其宏观表现即加载曲线以指数的方式迅速增加。在曲线中，第Ⅱ阶段与第Ⅲ阶段并没有明显的界限，在第Ⅱ阶段的后期，已经出现刚度增大的现象，与第Ⅲ阶段的分界已经模糊，并且在这一阶段仍观察到了由于曲梁滑动导致的曲线跳跃现象，如图5-11所示。

由以上研究可以发现，金属橡胶的性能不仅取决于制备的工艺参数，也与其内部曲梁的排列方式密切相关。