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硫化膠動態疲勞性能的影響因素

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硫化膠動態疲勞性能的影響因素

發布日期:2020-10-17 作者: 點擊:

硫化膠動態疲勞性能的影響因素

1.1膠種的影響

橡膠的品種是決定或影響硫化膠疲勞壽命的首要要素。在此草莓视频成人app下载安装 安卓_草莓视频成人版_草莓视频成人版无限观看破解版APP_草莓视频成人版下载僅討論天然橡膠、丁苯橡膠及順丁橡膠。NR為結晶性橡膠,因而其結晶性會影響其疲勞壽數。天然橡膠在應變經過0%的條件下,外力消除以後會發生結晶消除進程,阻止裂紋的發生和擴展才能下降,因而疲勞壽數較短;在應變不經過0%的條件下,一向存在應變誘導結晶,疲勞壽數較長。在0250%50240%兩種動態拉伸應變條件下,天然橡膠疲勞壽數分別為1.3萬次和1300萬次。

大多數橡膠製品是由天然橡膠或天然橡膠與丁苯橡膠及順丁橡膠並用來製造。經過對NR/SBR共混硫化膠的動態疲勞與開裂特性的研討發現:在低應變區域(上限120%),膠料的疲勞壽數跟著SBR含量的添加而延伸;在高應變區域,膠料的疲勞壽命反而隨著NR含量的增加而延長。其原因在於天然橡膠的拉伸結晶性阻礙微破壞的擴展。天然橡膠疲勞破壞主要取決於裂紋形成速度的快慢,而裂紋的增長或擴展的影響則相對較小。相反,丁苯硫化膠的疲勞破壞主要取決於裂紋的增長或擴展速度,而裂紋生成速度則較慢。

1.1膠種的影響

橡膠的種類是決定或影響硫化膠疲勞壽命的主要因素。在此草莓视频成人app下载安装 安卓_草莓视频成人版_草莓视频成人版无限观看破解版APP_草莓视频成人版下载僅討論天然橡膠、丁苯橡膠及順丁橡膠。NR為結晶性橡膠,因而其結晶性會影響其疲勞壽命。天然橡膠在應變經過0%的條件下,外力消除以後會發生結晶消除過程,阻礙裂紋的產生和擴展能力下降,因此疲勞壽命較短;在應變不經過0%的條件下,一直存在應變誘導結晶,疲勞壽命較長。在0250%50240%兩種動態拉伸應變條件下,天然橡膠疲勞壽命分別為1.3萬次和1300萬次。

大多數橡膠製品是由天然橡膠或天然橡膠與丁苯橡膠及順丁橡膠並用來製作。通過對NR/SBR共混硫化膠的動態疲勞與斷裂特性的研究發現:在低應變區域(上限120%),膠料的疲勞壽命隨著SBR含量的增加而延長;在高應變區域,膠料的疲勞壽命反而隨著NR含量的增加而延長。其原因在於天然橡膠的拉伸結晶性阻礙微破壞的擴展。天然橡膠疲勞破壞主要取決於裂紋形成速度的快慢,而裂紋的增長或擴展的影響則相對較小。相反,丁苯硫化膠的疲勞破壞主要取決於裂紋的增長或擴展速度,而裂紋生成速度則較慢。

1.2硫化體係的影響

硫化體係對硫化膠疲勞壽命的影響比較複雜,因為疲勞破壞不僅與交聯密度和交聯類型有關,而且受加荷條件、環境溫度和老化作用諸因素所製約。綜合考慮各方麵的因素,才能確定硫化體係的影響。一般隨著膠料交聯密度的增加,膠料的定伸應力都增加。在恒定形變條件下,硫化膠的疲勞壽命隨定伸應力值的降低而增長,因為定伸應力低的膠料在恒定形變條件下需要外界施加的能量少,因而膠料受到的破壞能就小。在恒定應力條件下,硫化膠的疲勞壽命隨定伸應力增加而增長,因為變形與定伸應力成反比,在給定應力下,高定伸應力的橡膠變形較小,有利於膠料疲勞壽命的提高。

在恒定變形功條件下,硫化膠的疲勞壽命與定伸應力之間的關係介於上述兩種情況之間,即定伸應力值過高或過低都會降低疲勞壽命,以適當高的定伸應力時疲勞壽命最長。在此條件下,硫化膠所受應力和變形都不是恒定值,而會發生變化,但是它們的乘積(變形功或變形能)不變。

在屈撓疲勞中,天然橡膠用傳統硫化體係,有效硫化體係和過氧化物硫化時,其硫化膠的相對疲勞強度分別為100%32%40%70%。由此可知,傳統硫化體係硫化膠一般具有較好的疲勞破壞性能。但是,在20%100%應變振幅下,過氧化物硫化膠的疲勞性能比硫黃硫化膠約高9倍。反複應變作用,會引起硫化膠交聯結構的變化,從而影響硫化膠疲勞性能。在疲勞過程中,天然橡膠以降解為主,以至膠料變軟發粘。其間,多硫鍵遭破壞,而單硫鍵得以形成。通過對上述三種硫化體係性能進行研究發現傳統常規硫化體係的拉伸強度和撕裂強度均優於其它體係,而且膠料在疲勞過程中裂口的擴展速度也比較慢。

1.3填充體係的影響

在一定範圍內,硫化膠的抗疲勞性能隨填充劑(主要是炭黑)的粒徑減少或用量增大而增加,超過最佳用量時,疲勞壽命會下降。嚴格的說,填充劑對硫化膠疲勞壽命的影響,還取決於硫化膠的硬度和動態負荷條件。在恒應變振幅下,硫化膠的疲勞壽命隨定伸應力值的降低而增長,因此硫化膠疲勞壽命隨填充劑粒徑減小或用量增加而減小;在恒定應力條件下,硫化膠的疲勞壽命隨定伸應力增加而增長,硫化膠疲勞壽命則隨填充劑粒徑減小或用量增加而增長。

1.4增塑(軟化)體係的影響

增塑劑對疲勞壽命具有兩重影響,一方麵,增塑劑能降低疲勞過程中的機械損失,從而提高疲勞壽命;另一方麵,增塑劑會降低硫化膠拉伸強度,從而降低疲勞壽命。一般在恒應變振幅下,硫化膠疲勞壽命隨軟化劑用量增加而增長;在恒定應力條件下,硫化膠的疲勞壽命隨定伸應力增加而增長,因此硫化膠疲勞壽命隨軟化劑用量增加而減小。

1.5防老體係的影響

防老劑對耐疲勞破壞的影響很重要。因為在疲勞過程熱氧老化作用很強烈。加入防老劑後能有效的抑製熱氧老化的進行,能明顯的提高疲勞壽命。一般情況下硫化膠的疲勞破壞是在局部發生的,因此,能遷移的防老劑,對防止硫化膠長時間疲勞老化十分有效,防老劑的效果與所用的硫化組分有關,對硫黃硫化膠效果最大,對過氧化物硫化膠效果最小,並且胺類防老劑可以有效地提高膠料的疲勞壽命。

1.6 其他影響因素

試驗證明,除丁基膠外,天然膠、氯丁膠(通用型)、丁苯膠和丁腈膠的裂口擴展速率隨溫度升高而增加,其中丁苯、丁腈和氯丁膠對溫度尤為敏感。

采用割口法測橡膠抗裂增長性能,割口長度對測試結果有明顯的影響。割口越長,裂口擴展越快,裂口增長到一定長度後逐漸緩慢。

由於臭氧的作用,在橡膠表麵會產生一種微細裂口。臭氧龜裂與屈撓龜裂這兩種裂口方法都與應力方向垂直。一般在機械疲勞作用下,臭氧有促進龜裂產生的作用。

研究表明,氧氣對於屈撓裂口和割口擴張有一定的促進作用。例如,在汽車行駛過程中,輪胎胎麵膠因多次屈撓而生熱,另外胎體產生的熱也向胎麵部位傳導,因此胎麵膠表麵溫度是想當高的,溫度的溫升促進了氧化過程的加快,亦就促進了胎麵膠的屈撓裂口和裂口擴展的過程。

以斷裂力學為基礎研究橡膠的疲勞性能

高分子彈性材料宏觀上可視為均質,但其內部必然具有分布於各處的不同形狀和大小的缺陷,如雜質、氣泡和弱鍵等。當材料整體受力時,位於缺陷端部的材料局部應力可能增大到平均應力的許多倍。疲勞破壞嚴格地說是一個力學和化學的綜合過程。橡膠在往複形變下,材料中產生的應力鬆弛在形變周期內來不及完成,結果內部產生的應力不能均勻地分散,便可能集中在某些缺陷處(如裂紋、弱鍵等),形成裂紋,從而引起疲勞破壞。此外由於橡膠是一種粘彈體,它的形變包括可逆形變和不可逆形變,在周期形變中不可逆形變產生的滯後損失,轉化為熱,使材料內部溫度升高,高溫促進了橡膠的老化,亦促進了橡膠的疲勞破壞過程。總之,橡膠的疲勞不單純是力學疲勞破壞,往往伴隨有熱疲勞破壞。

唯象論認為,材料破壞是由於其內部損傷(缺陷和微裂紋)引發的裂紋不斷傳播和擴展而導致的。其傳播方式和擴展速度由材料的粘彈性決定,表現出強烈的時間-溫度效應。按分子論觀點,動態疲勞歸因於化學鍵斷裂,即試樣在周期形變過程中,應力不斷集中於弱健處而誘發微裂紋,由此產生裂紋並隨時間擴展。由於裂紋尖端處的分子鏈處於高應力場中,分子鏈拉長,當應力達到鍵的強度時發生鍵斷裂,並隨時間而擴展。疲勞裂紋增長是機械和化學破壞積累時產生的。應變時,橡膠網鏈取向排列,橡膠網絡弱交聯點間的鏈長有一個分布範圍,發生形變時,鏈呈直線狀,並因網絡結構不均質而造成承載不均,網絡結構力求使應力分布在鏈中間。當應力達到鏈的強度時,最終會是一個網鏈斷開,從而使該鏈斷開前所承受的力迅速分配到相鄰鏈上,導致這些鏈中的部分鏈過載而斷開。此時分子鏈雖已斷開,但還未發生宏觀破壞。斷鏈不是隨機的而是最易在首次斷鏈的地方斷裂。隨時間的增加,會有某一部分比其他部分發生更多的斷鏈,宏觀裂紋就從這兒開始。而斷裂鏈的彈性能以熱的形式散發掉,裂紋發展是一個非平衡過程的斷裂現象,包括分子鏈隨時間連續不可逆斷裂,以及裂紋尖端處和其附近與分子運動相關聯的塑性變形所產生的不可逆能量損失。這一微觀過程的宏觀表現便是動態疲勞過程中裂紋穿過試樣不斷擴展直至斷裂和所伴隨的熱效應。

通過觀察與分析,動態疲勞過程大致分為三個階段:第一階段是疲勞過程的初期,在較短的時間範圍內應力發生急劇變化,出現應力軟化現象;第二階段應力變化緩慢,是材料表麵或內部產生損失的階段;第三階段時損傷引發裂紋並連續擴展,直到斷裂破壞。

 


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