橡膠疲勞失效機(jī)理的研究

任欣

摘要：橡膠作為一種彈性高、造價(jià)低廉的材料，在各個(gè)行業(yè)都被廣泛運(yùn)用，尤其是在工業(yè)制造和國防事業(yè)中。在的實(shí)際使用過程中，橡膠制品（如橡膠減震器、橡膠手套、橡膠密封圈等），通常在周期性作業(yè)下超負(fù)荷工作，此時(shí)如果橡膠出現(xiàn)了疲勞、斷裂的現(xiàn)象，就會(huì)損壞機(jī)械、導(dǎo)致事故和重大經(jīng)濟(jì)損失的發(fā)生。由此可見，在橡膠產(chǎn)品開發(fā)初期探究分析橡膠密封圈的失效成因，改進(jìn)橡膠制品的生產(chǎn)流程，保證橡膠材料的質(zhì)量和使用壽命是保障產(chǎn)品質(zhì)量、提升企業(yè)生產(chǎn)利潤的重要前提。

關(guān)鍵詞：橡膠疲勞;耐久性;裂紋拓展;裂紋萌生

提高橡膠材料的使用壽命對(duì)保證橡膠制品的耐久性有重要的意義。本文旨在從研究橡膠的疲勞壽命的方法、影響橡膠疲勞的要素、橡膠疲勞實(shí)驗(yàn)結(jié)果探究等方面探究橡膠材料與橡膠制品疲勞之間的關(guān)系，希望能夠?yàn)樯a(chǎn)橡膠的企業(yè)提供具有現(xiàn)實(shí)意義的改進(jìn)策略，促進(jìn)橡膠產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

1 橡膠動(dòng)態(tài)疲勞的研究方法

橡膠制品的斷裂過程主要分為兩個(gè)步驟：（1）從完整到微小裂紋形成的階段（如圖1的A區(qū)域），斷面上未見到明顯的材料缺陷。（2）從小裂紋到裂紋延展直至斷裂的階段（如圖1的B區(qū)域）。探究橡膠材料的疲勞壽命也應(yīng)當(dāng)從這兩個(gè)階段展開，針對(duì)前者的分析方法被稱為裂紋萌生法，后者則被稱為裂紋拓展法。在實(shí)際研究中，這兩種階段的分界點(diǎn)往往比較模糊，在一般情況下，計(jì)算橡膠疲勞壽命、當(dāng)橡膠制品產(chǎn)生明顯磨痕、缺口或結(jié)構(gòu)性斷裂時(shí)運(yùn)用裂紋拓展法。裂紋萌生法則運(yùn)用于橡膠無明顯缺口或有細(xì)小磨損的情況。

圖1 橡膠的不同斷裂情況

2 影響橡膠動(dòng)態(tài)疲勞壽命的因素

2.1交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)

橡膠的交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)能夠在一定程度上影響橡膠的性能和疲勞狀況，硫化反應(yīng)對(duì)橡膠疲勞壽命有重要影響，硫化機(jī)和硫化反應(yīng)可以提高橡膠的耐疲勞性，延長橡膠的使用壽命。橡膠制品生產(chǎn)商應(yīng)該注意使用適配橡膠材料的硫化劑，這同樣能夠影響橡膠的老化速率。

2.2應(yīng)力-應(yīng)變條件

由于橡膠在使用過程中受外界載荷的作用，因而橡膠對(duì)于應(yīng)力-應(yīng)變的敏感度很高，其中應(yīng)力和應(yīng)變幅度是最重要的因素。研究顯示，最小應(yīng)變與載荷比R與橡膠壽命成正比，當(dāng)R的值較大時(shí)，裂紋尖端會(huì)產(chǎn)生鈍化效應(yīng)，而鈍化效應(yīng)引起的結(jié)晶將會(huì)阻礙裂紋的增長。

2.3環(huán)境條件

環(huán)境是橡膠疲勞分析中的關(guān)鍵要素，尤其是在橡膠高密度作業(yè)的情況下，溫度、壓力以及不同濃度的化學(xué)反應(yīng)物含量會(huì)直接影響橡膠材料的力學(xué)行為和疲勞狀況。

以溫度這一關(guān)鍵影響因素為例，不同種類的橡膠材料對(duì)溫度的敏感性不同，將試驗(yàn)溫度從0度升高到110度時(shí)，天然橡膠的疲勞壽命縮短了4倍，而丁苯橡膠縮短了一萬倍之多。

不同的大氣環(huán)境對(duì)橡膠疲勞同樣有著舉足輕重的影響，比如橡膠接觸到的氧氣、臭氧氮?dú)獾暮?，在其他變量相同的情況下，惰性氣體如氮?dú)鈺?huì)使橡膠壽命增長，而臭氧以及氧氣會(huì)使疲勞裂紋增長速率變高。

3橡膠疲勞理論的應(yīng)用

在實(shí)際開發(fā)橡膠制品的過程中，開發(fā)人員需要針對(duì)影響橡膠動(dòng)態(tài)疲勞壽命的因素，改進(jìn)橡膠制品的設(shè)計(jì)方案，其基本流程為：（1）依照橡膠元件的屬性和功能要求對(duì)其進(jìn)行結(jié)構(gòu)性設(shè)計(jì)，通過程序模擬真實(shí)的工作情況對(duì)橡膠元件的結(jié)構(gòu)進(jìn)行綜合分析。（2）根據(jù)疲勞實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)材料，建立符合工況的疲勞壽命預(yù)期模型，將橡膠元件的基本數(shù)據(jù)與疲勞壽命試驗(yàn)數(shù)據(jù)輸入預(yù)測(cè)模型進(jìn)行分析，再通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與模型數(shù)據(jù)的比對(duì)，進(jìn)行可靠性分析。（3）在分析前需要對(duì)橡膠疲勞失效制定一系列的標(biāo)準(zhǔn)，如分析結(jié)果符合準(zhǔn)則的標(biāo)準(zhǔn)，則說明設(shè)計(jì)滿足橡膠制品工作需要的標(biāo)準(zhǔn)，反之，當(dāng)測(cè)算結(jié)果無法與標(biāo)準(zhǔn)相符時(shí)，開發(fā)人員需要對(duì)橡膠元件進(jìn)行重構(gòu)和重新計(jì)算，使之最終滿足疲勞設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)，在實(shí)際開發(fā)產(chǎn)品時(shí)，對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行檢驗(yàn)也是必要的，對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行疲勞壽命試驗(yàn)，能夠保證產(chǎn)品的使用壽命和品控。

4結(jié)語

橡膠作為一種有重要意義的彈性材料已經(jīng)有一百多年的應(yīng)用歷史，在國防建設(shè)與經(jīng)濟(jì)建設(shè)中起到了不可替代的作用。橡膠不僅僅是生活中不可或缺的材料，同樣也是高新機(jī)械生產(chǎn)與發(fā)展的重要性材料，故保障橡膠的品質(zhì)和使用壽命有著十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。

本文著重探討了影響橡膠疲勞壽命的常見因素、研究方法以及橡膠疲勞理論的運(yùn)用，為橡膠產(chǎn)品設(shè)計(jì)改良提供參考。在實(shí)際生產(chǎn)中，橡膠制品疲勞的成因往往不是單方面的，廠商應(yīng)當(dāng)結(jié)合理論和實(shí)際情況進(jìn)行綜合分析，從而找出確切原因，制定應(yīng)急預(yù)案與改進(jìn)措施，從而保證橡膠制品品質(zhì)，提高企業(yè)產(chǎn)投比和經(jīng)濟(jì)效益。

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