橡胶疲劳失效影响因素及提升策略_熊莎凡.pdf

第3 6卷 第5期高分子通报V o l.3 6,N o.52 0 2 3年5月P O L YME R B U L L E T I NM a y,2 0 2 3收稿:2 0 2 2-0 7-2 1;修回:2 0 2 2-0 9-0 9基金项目:国家自然科学基金(5 2 0 0 3 0 7 7,5 1 8 0 3 0 5 1),功能材料绿色制备与应用教育部重点实验室开放基金资助*通讯联系人:刘杰,主要研究方向为橡胶结构与性能、功能化弹性体。E-m a i l:l i u j i e h u b u.e d u.c nd o i:1 0.1 4 0 2 8/j.c n k i.1 0 0 3-3 7 2 6.2 0 2 3.0 5.0 0 4综述橡胶疲劳失效影响因素及提升策略熊莎凡,刘杰*,周骏康,雷巍巍(湖北大学材料科学与工程学院 功能材料绿色制备与应用教育部重点实验室,武汉 4 3 0 0 6 2)摘要:橡胶在使用过程中会承受一定载荷从而导致疲劳失效,其失效源于裂纹扩展且最终可能导致材料完全断裂。本文对橡胶耐疲劳性能通用研究方法、橡胶疲劳破坏机理进行总结,并综述了机械载荷历史、填料、动态键、环境等因素对橡胶疲劳性能的影响,最后对橡胶疲劳研究面临的挑战和发展方向进行了展望。关键词:橡胶;裂纹扩展;抗疲劳;研究方法;影响因素I n f l u e n c e F a c t o r s a n d I m p r o v e m e n t S t r a t e g i e s o f R u b b e r F a t i g u e F a i l u r e X I ON G S h a-f a n,L I U J i e*,Z HOU J u n-k a n g,L E I W e i-w e i(S c h o o l o f M a t e r i a l s S c i e n c e a n d E n g i n e e r i n g,H u b e i U n i v e r s i t y;K e y L a b o r a t o r y o f G r e e n P r e p a r a t i o n a n d A p p l i c a t i o n o f F u n c t i o n a l M a t e r i a l s,M i n i s t r y o f E d u c a t i o n,W u h a n 4 3 0 0 6 2,C h i n a)A b s t r a c t:R u b b e r i s s u b j e c t e d t o c e r t a i n l o a d s d u r i n g u s e,w h i c h w i l l l e a d t o f a t i g u e f a i l u r e.T h e f a i l u r e i s c a u s e d b y c r a c k p r o p a g a t i o n a n d m a y e v e n t u a l l y l e a d t o c o m p l e t e f r a c t u r e o f t h e m a t e r i a l.T h i s p a p e r s u mm a r i z e s t h e g e n e r a l r e s e a r c h m e t h o d s o f r u b b e r f a t i g u e r e s i s t a n c e a n d t h e f a t i g u e f a i l u r e m e c h a n i s m o f r u b b e r.M o r e o v e r,t h e i n f l u e n c e o f m e c h a n i c a l l o a d h i s t o r y,f i l l e r s,d y n a m i c b o n d s,e n v i r o n m e n t a n d o t h e r f a c t o r s o n r u b b e r f a t i g u e p e r f o r m a n c e w e r e r e v i e w e d.F i n a l l y,t h e c h a l l e n g e s a n d d e v e l o p m e n t o f r u b b e r f a t i g u e p e r f o r m a n c e r e s e a r c h i n f u t u r e w e r e e n v i s a g e d.K e y w o r d s:R u b b e r;C r a c k g r o w t h;F a t i g u e r e s i s t a n c e;R e s e a r c h m e t h o d;I n f l u e n c e f a c t o r 橡胶因其优异的力学性能而被广泛应用于许多领域,如轮胎、垫圈、隔振器等。在使用过程中,橡胶部件承受一定的载荷而导致疲劳失效。橡胶的疲劳失效过程分为裂纹成核阶段和裂纹扩展阶段。在成核阶段,载荷发生波动并产生裂纹,随后裂纹逐渐扩展,直至材料完全断裂失效。因此,耐疲劳性和抗裂性是影响橡胶使用寿命关键因素。近年来橡胶疲劳失效机理的研究和提升橡胶耐疲劳性能的方法受到广泛关注,主要的策略集中在填料填充以及硫化体系研究等方面。本文将从橡胶耐疲劳性能通用研究方法、橡胶疲劳破坏机理、影响橡胶疲劳性能的因素三个方面对橡胶的疲劳性能研究进行总结,综述最新的动态键结构改性策略,并针对未来的研究提出展望。1 橡胶疲劳性能通用研究方法 橡胶制品常在交变载荷下应用,疲劳失效可能会导致不可预测的事故,因此需要在橡胶使用前对材料进行耐疲劳预测,以确定其使用寿命及最大负载。在研究初期,橡胶的疲劳行为采用疲劳寿命曲线(S-N曲线)来研究1。S-N曲线是最早被提出的一种测试疲劳性能的方法,其对试样施加动态载荷或应变直至试样断裂,通过绘制应力/应变(S)关于橡胶样品疲劳破坏所需的循环次数(N)的曲线来评价橡胶的疲劳行为。一般而言,材料的强度极限越高,外加的应力或应变水平5期熊莎凡等:橡胶疲劳失效影响因素及提升策略越低,其疲劳寿命就越长;反之,疲劳寿命就越短。由于S-N曲线上的每个数据点都需要在新条件下测试新样本,该测量过程需耗费大量劳力,导致其广泛使用受到制约25。因此在橡胶疲劳分析时,通常将橡胶的疲劳失效过程分为裂纹成核和裂纹扩展两个阶段,并采用不同的方法进行研究。最常使用的技术为扫描电子显微镜或X射线显微层析成像(-C T)等,这些方法是研究间断疲劳试验或事后分析的有力工具,可以深入了解疲劳过程中缺陷的数量及其演变。1.1 裂纹成核阶段 裂纹成核方法由C a d w e l l于1 9 4 0年应用于弹性体的裂纹研究6,7。成核阶段是指在材料内部原本没有明显裂纹的区域内,由微观缺陷逐渐萌生并不断聚集而形成裂纹的阶段。裂纹成核过程是一种微观局部现象,通常来自原始材料中预先存在的缺陷,因此在预测裂纹的成核寿命时,首先需要确定裂纹萌生的位置。对于裂纹成核阶段的橡胶疲劳寿命预测可分为连续介质力学方法和连续损伤力学方法。1.1.1 连续介质力学方法连续介质力学方法假设材料内部从初始受载到裂纹萌生的整个阶段都保持均一连续的状态,且材料疲劳寿命与其局部所受的负荷大小有关。通常可用两种变量来预测裂纹成核寿命:一种是基于应变应力预测变量,以最大主应变或最大主应力为评价标准;另一种根据能量释放率的历史和初始裂纹几何形状,选择基于能量的预测变量,以应变能密度(S E D)为标准。基于应变的预测变量可以根据橡胶开裂所对应的应变位移直接确定。通常,橡胶最终开裂的位置处于垂直于最大拉伸应变的平面上,且最大应变越高,疲劳寿命越低,故最大主应变的平均值可作为标准来预测成核寿命。M a r c o等在热测量中评估耗散能量,将裂纹扩展时表面耗散的能量与局部最大主应变联系起来,得到了预测橡胶疲劳寿命的表达式8:ED=*()K()N i22(1)d(,N)=K()N(2)式中,ED为材料能量累积失效的临界值;*为循环耗散的能量;N i为疲劳寿命;为材料所受应变;为疲劳发生区域材料的表面密度;N为疲劳循环次数;K为公式中的斜率。*与K值均由实验测得。尽管基于应变的疲劳准则便于实验测量,但其精度低于应力判据方法,因此提高应变准则的精确度成为研究热点9。L u o等提出一种新的损伤评估准则,结合3个主应变域建立了有效剪应变判据,并用已发表的4组加载试验结果进行了验证,结果显示预测的裂纹位于该判据的最大值,与实验观察到的裂纹位置一致。该评估准则可用于材料的减振设计和应用,且不同的加载模式不会影响疲劳预测1 0。此外,D o n g等根据橡胶疲劳寿命曲线(S-N曲线)预测橡胶减振器的疲劳裂纹萌生寿命:首先,推导了不同应力状态下橡胶材料等效应力S和疲劳裂纹萌生寿命N的一般表达式;其次,测量了哑铃型橡胶试样在不同拉伸应变下的疲劳裂纹萌生寿命,通过拟合单轴应力条件下的实验结果,得到橡胶材料的疲劳参数。由此,利用有限元数值模型得到了橡胶减振器中危险节点在不同工况下的等效应力S;最后,将橡胶材料的疲劳裂纹萌生寿命N的一般表达式与危险节点的等效应力S相结合,得到橡胶减振器的疲劳寿命。该方法与传统方法相比更接近于疲劳裂纹萌生寿命实验结果1 1。基于应力的预测变量通常以最大主应力为标准。A b r a h a m等对橡胶材料进行了单轴循环疲劳试验,当最小应力为零(m i n=0),应力幅值变化时,橡胶疲劳寿命随应力幅值和最大应力(m a x)的增大而减小1 2。但在应力幅值保持不变的情况下,在连续试验中m i n值增加时,m a x值越高,橡胶的疲劳寿命越长。因此可通过对橡胶材料预加载的方法来提高其疲劳寿命。实验结果显示,以上应力应变方法不适用于未填充的橡胶,故最大主应力只可作为描述多轴疲劳损伤的适当局部变量,不能用于预测弹性体的疲劳寿命1 3。基于能量的预测变量S E D为材料单位体积的应变能。当某材料面上的应变能累积至大于材料表面能时,该材料面将发生开裂。因此,S E D方法可作为基于能量的预测变量来实现橡胶疲劳寿命的评估,其适用于未填充橡胶,能够弥补上述应力/应变等方法的弊端。但由于S E D无法提供可能发生裂纹的特定方向,因此该方法不适用于多轴载荷的情况,且不能预测起裂面1 4,1 5。由此,M a r s提出开裂能密度(C E D)来表征成核疲劳寿命,C E D的增量等于某特定材料面单位法向矢量575高分子通报2 0 2 3年上的应力所做的微功,如公式(3)所示。dW=d(3)其中为材料所受应力,为单位体积变形量。由于材料在不同方向上具有不同的C E D取值,故C E D是一个表征方位的应变能量密度,与S E D相比,可以更好地预测复杂载荷下的裂纹成核1 6。基于S E D和C E D的预测方法首先利用有限元分析确定应力和应变场,选定合适的应变能函数W后,对函数进行积分,即可得到材料的C E D1 7,1 8。Z i n e等基于S E D预测了橡胶材料的初生裂纹且确定了可能取向的参数,利用C E D准则在有限应变的框架内分析性地开发了用于简单拉伸、双轴拉伸和简单剪切载荷的标准,结果表明C E D准则可预测材料中发生主裂纹的取向平面,且与S E D准则相比,在单轴拉伸和扭转载荷下预测裂纹萌生、裂纹取向和疲劳寿命方面更具优势5,1 9。在此后的研究中,M a r s开发了E n d u r i c a这一专门用于计算橡胶疲劳寿命的分析软件;S a i n t i e r等应用临界面法提出了预测橡胶多轴疲劳裂纹萌生寿命的应力参