某型橡膠軟管開裂原因分析

趙建勇 鄭占強

摘要：某型橡膠軟管裝機使用半年后外表面出現(xiàn)裂紋，外觀檢查，對橡膠軟管外膠層兩種不同形貌的老化裂紋斷口進(jìn)行宏觀觀察，采用視頻顯微鏡及掃描電子顯微鏡對外觀損傷特征進(jìn)行檢查，并對“星狀”裂紋斷口表面的顆粒物進(jìn)行能譜分析，確定了兩種不同形貌的老化裂紋開裂性質(zhì)，分析軟管外膠層開裂原因，并從延長橡膠軟管使用壽命角度出發(fā)提出了在設(shè)計和使用階段的意見和建議。

關(guān)鍵詞：軟管；開裂；老化

Keywords：hose；cracking；aging

0 引言

某型橡膠軟管于2016年3月生產(chǎn)，同年裝機，使用半年后發(fā)現(xiàn)其外膠層表面存在大量的老化裂紋，外觀無明顯的機械損傷和高溫老化現(xiàn)象，無漏油現(xiàn)象發(fā)生。該橡膠軟管安裝在起落架附近，外膠層為丁腈橡膠，軟管內(nèi)部工作介質(zhì)為15#航空液壓油，工作壓力15MPa，分解后返廠經(jīng)歷4倍工作壓力爆破試驗，并未發(fā)現(xiàn)膠管有漏油現(xiàn)象。

航空非金屬類產(chǎn)品所用材料如橡膠、塑料和復(fù)合材料以及部件連接中用的膠粘劑都是高分子材料。高分子材料具有突出的粘彈性，而粘彈性材料對應(yīng)力的響應(yīng)不是瞬間的，而是應(yīng)變落后于應(yīng)力，因此高分子材料具有較強的應(yīng)變速率相關(guān)性[1-3]。另一方面，應(yīng)變速率的大小又直接影響到高分子材料的斷裂特征[4-5]，因此，要分析膠管裂紋的形成機理，必須同時考慮應(yīng)變速率的影響。本文借助視頻顯微鏡、電子顯微鏡、能譜儀等檢測儀器，結(jié)合橡膠軟管特性和工作環(huán)境，確定了老化裂紋性質(zhì)，并分析了老化裂紋形成的原因。

1 試驗過程與結(jié)果

1.1 外觀檢查

橡膠軟管由外膠層、鋼絲加強層、中間層和內(nèi)膠層四部分組成（見圖1a。在軟管外膠層的彎曲位置處，其外向表面可見大量方向一致的周向老化裂紋（見圖1b～c），其他位置未見明顯的周向老化裂紋，僅局部存在少量的“星狀”裂紋（見圖1d）。

1.2 斷口觀察

隨機打開一處周向裂紋，采用視頻顯微鏡進(jìn)行觀察，其斷口宏觀形貌特征如圖2a所示。采用掃描電子顯微鏡在低倍下進(jìn)行觀察，裂紋源區(qū)位于膠層外表面（見圖2b），由外向內(nèi)擴展，雙點源；采用掃描電子顯微鏡在高倍下進(jìn)行觀察，源區(qū)附近可見明顯的擴展棱線特征，未見機械損傷、高溫熔融、夾雜、大塊顆粒物結(jié)晶析出等形貌特征（見圖2c～d）。源區(qū)左右兩側(cè)的斷口形貌如圖3、圖4所示，裂紋同樣由外向內(nèi)擴展，斷口表面未見高溫熔融特征。

人為打開一處“星狀”裂紋，可以觀察到裂紋并未完全裂透，下側(cè)斷口靠近內(nèi)側(cè)沒有出現(xiàn)裂紋（見圖5）。采用掃描電子顯微鏡對“星狀”裂紋的主裂紋斷口進(jìn)行觀察，源區(qū)位于外表面，線源，裂紋由外向內(nèi)擴展，斷口表面存在大量的顆粒狀物質(zhì)，如圖6、圖7所示。

1.3 能譜分析

對“星狀”裂紋斷口表面的顆粒物進(jìn)行能譜分析，分析位置見圖8，分析結(jié)果見表1，其主要元素為C、O、Ca、Si和Zn，為丁腈橡膠的配合劑元素。

2 分析與討論

橡膠軟管在外膠層的彎曲位置處出現(xiàn)大量方向一致的周向裂紋，打開其中任意一處裂紋，對其進(jìn)行斷口微觀觀察，結(jié)果顯示裂紋起源于外表面，點源，由外向內(nèi)擴展；源區(qū)未見機械劃傷、高溫熔融以及大量顆粒物析出等特征。周向裂紋集中在軟管的彎曲位置，這是由于軟管在機械力作用下產(chǎn)生了彎曲，導(dǎo)致應(yīng)力分布不均勻，使彎曲部位產(chǎn)生應(yīng)力集中，結(jié)果造成彎曲部位的分子鏈被扯斷。該軟管安裝于起落架部位，隨起落架收放會產(chǎn)生周期性變形，由于應(yīng)變對應(yīng)力有滯后效應(yīng)，在分子鏈中總是保持一定的應(yīng)力梯度，從而使分子鏈更容易發(fā)生斷裂。另外，軟管外膠層為丁腈橡膠，長時間暴露在空氣中，其分子結(jié)構(gòu)中存在丁二烯鏈段的不飽和鍵容易受到環(huán)境因素影響（如紫外線、氧、臭氧、水分等）而發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，使橡膠分子進(jìn)一步結(jié)構(gòu)化，交聯(lián)度過大，外膠層發(fā)硬產(chǎn)生龜裂。結(jié)合軟管彎曲處的受力與裂紋擴展方向以及裂紋斷口表面形貌，可以推斷應(yīng)力集中對周向裂紋的產(chǎn)生起主導(dǎo)作用，該處的周向裂紋為應(yīng)力老化裂紋。

橡膠軟管在其他位置未見明顯的周向裂紋，僅局部存在少量的“星狀”裂紋。打開其中任意一處“星狀”裂紋的主裂紋，對其進(jìn)行斷口觀察，裂紋起源于外表面，線源，由外向內(nèi)擴展；斷口表面可見大量的顆粒狀物質(zhì)，且源區(qū)為顆粒物集中位置，對顆粒物進(jìn)行能譜分析，主要元素為C、O、Ca、Si和Zn，應(yīng)為橡膠添加物的成分元素?！靶菭睢绷鸭y的表面同樣未見高溫熔融特征，且其裂紋方向為雜亂無序狀，可以確定“星狀”裂紋產(chǎn)生的原因為丁腈橡膠分子中的不飽和鍵和游離基受環(huán)境因素影響發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，引起分子鏈斷裂，該處的“星狀”裂紋為自然老化裂紋。

橡膠軟管在機上工作時無漏油現(xiàn)象，分解后在軟管綜合試驗臺上按4倍工作壓力進(jìn)行爆破試驗也沒有出現(xiàn)漏油現(xiàn)象，可以確定軟管內(nèi)膠層、中間層和鋼絲加強層均沒有受到損傷，進(jìn)一步說明該軟管受工作環(huán)境因素影響后僅是外膠層出現(xiàn)了老化裂紋現(xiàn)象。

3 結(jié)論及建議

1）橡膠軟管開裂起源于外表面，周向裂紋為點源，“星狀”裂紋為線源；橡膠軟管外膠層的周向裂紋性質(zhì)為應(yīng)力老化裂紋，起源于外表面；其他位置處的“星狀”裂紋性質(zhì)為自然老化裂紋，亦起源于外表面。

2）針對橡膠軟管受機械力作用出現(xiàn)應(yīng)力老化問題，建議在設(shè)計階段合理選擇軟管長度，留有一定的長度余量，保持一定的自由度；合理選擇軟管接頭，避免使軟管產(chǎn)生額外的負(fù)載；在軟管裝配時不應(yīng)使軟管扭曲，安裝面與運動面應(yīng)處于同一平面，其彎曲半徑必須大于軟管最小彎曲半徑，同時減少軟管彎曲次數(shù)，降低人為因素對應(yīng)力老化的影響。

3）由于軟管外膠層為丁腈橡膠，其耐候性較差，直接暴露在空氣中容易出現(xiàn)老化現(xiàn)象，建議在設(shè)計階段合理選擇軟管外膠層材料。另外，可對軟管的外部包覆一層防護性材料，以降低外部環(huán)境因素的影響，延長軟管的使用壽命。

參考文獻(xiàn)

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作者簡介

趙建勇，工程師，主要從事航空產(chǎn)品的制造與修理、材料理化性能測試等。