橡胶疲劳的一些问题

天然橡胶就橡胶材料而言，它是指橡胶材料在重复变形的过程中，当其承受的局部变形应力超过橡胶的延伸率或应力极限时，疲劳过程开始，以至于最后达到破坏。

这种疲劳破坏的开始点是由于橡胶表面或内部的不均匀性所造成的。

橡胶材料的破坏主要是由于其内部的缺陷或微裂纹引发的裂纹不断传播和扩展而导致的。

按照分子运动论的观点，橡胶材料的动态疲劳破坏归因于材料本身分子链上化学键的断裂，即试样在受到周期应力一应变作用过程中，应力不断地集中于化学键能比较弱的部位而产生微裂纹，继而发展成为裂纹并随着时间的推移而逐步扩展开来。

裂纹发展是一个随着时间而发展，涉及到橡胶材料的分子链连续断裂的粘弹性非平衡动态变化过程。

这一微观发展过程在宏观上的表现是，橡胶材料在动态应力一应变的疲劳过程中，裂纹穿过试样不断扩展，直到断裂以及产生与之所伴随的热效应。

橡胶材料的动态疲劳过程一般可以分为三个阶段：第一阶段是应力剧烈变化，出现橡胶材料在应力作用下变软的现象；第二阶段是应力缓慢变化，橡胶材料表面或内部产生微裂纹，经常称之为破坏核；第三阶段是微裂纹发展成为裂纹并连续不断地扩展开，直到橡胶材料完全出现断裂破坏现象，最后这一阶段是橡胶材料疲劳破坏的最重要的阶段。

使用炭黑填充的天然橡胶硫化胶在一定负荷下多次拉伸变形时，橡胶的物理机械性能在疲劳过程中，拉伸强度先是逐步上升的，经过一个极大值后再开始下降，而撕裂强度、动态弹性模量和力学损耗因子的变化则相反。

在疲劳过程中，胶料的拉伸强度几乎保持不变。

300％定伸应力的疲劳开始阶段明显增大，然后增大趋于缓慢；扯断伸长率则随疲劳周期的变化而下降，在高应变疲劳条件下，具有拉伸结晶性的橡胶抗疲劳破坏性能较好。

未使用补强剂补强的橡胶材料，其破坏形态一般表现为塑性破坏，而使用炭黑或其它活性填料作补强剂的橡胶材料则表现为脆性破坏，且随着各种防老剂的加入，其破坏形态由脆性破坏逐步向准塑性破坏形态转变。

天然橡胶在受到一定频率的应力作用的条件下，由于分子链的内摩擦而生热是其动态疲劳破坏的另外一种因素。

当疲劳生热的温度低于120℃时，天然橡胶制品内部将发生化学交联键的结构变化，主要是发生交联键及链段的热裂解反应，首先是多硫交联键减少，而单、双键逐渐增加。

总的表现是交联键的密度在增加，宏观的表现为胶料的硬度和定伸应力增加。

由于胶料内部发生了以上微观结构的变化，从而进一步造成产品内部的生热继续，当生热温度超过120℃(如到达130℃、140℃、150℃)时，橡胶材料总的交联密度逐步下降。

疲劳破坏的最后阶段，橡胶材料的外观表现将接近混炼胶状态。

此时的橡胶已经完全丧失弹性．产品也将失去了实际使用价值。

影响疲劳寿命的因素弹性体的性质研究表明，在低应变疲劳条件下，橡胶的玻璃化转变温度愈高，耐疲劳破坏性能愈好；在高应变疲劳条件下，具有拉伸结晶性的橡胶耐疲劳破坏性能较好。

疲劳裂纹增长也与弹性体种类有关，NR和BR对应变速率不敏感，而SBR等由于具有较大的粘弹性，对应变速率较为敏感。

（针对这方面的研究和表述最多，但是与本次研究关系不大，因此简要带过）应变周期随频率的增加，橡胶的疲劳破坏加快，但当频率增加到一定程度后继续增加时，其疲劳寿命变化就不再显著。

主要是由于低频条件下，机械疲劳破坏引起的分子链断裂起决定作用;高频条件下，由于产生较大的升热，因此，破坏的主要原因已不是机械疲劳，而是高温引起的热降解，此时化学变化对橡胶的破坏起重要作用。

另外，频率对非结晶橡胶有显著的影响，对结晶橡胶的影响不显著，因为非结晶橡胶存在叠加在动态割口增长上的时间依赖性连续裂纹增长。

裂纹增长中的这种稳定增长部分在频率微0.2Hz以下非常重要，它的引发归根于粘弹性效应。

对NR（天然橡胶）胶料的研究结果表明，最小应变增加时尽管能量输人降低，但样品的疲劳寿命却增加，说明施加于样品的最小应变是影响疲劳寿命的主要因素。

还有许多橡胶制品的例子表明应变周期在很大程度上影响制品的性能。

操作温度操作温度对橡胶耐疲劳破坏性能的影响相当复杂，因为疲劳中同时发生了不可逆的化学变化(如降解)。

另外高温还影响材料的模量和扯断伸长率。

但在大多数试验中，随温度的增加，NR和SBR的疲劳寿命都降低，只是前者不如后者明显。

静态应力橡胶制品在使用时往往要预先加载，产生一定的变形，然后再进行疲劳实验，此预压力导致的应力称为静态应力，引起的变形，称为静态应变。

与金属的疲劳寿命随静态应力的增大而降低不同，橡胶的疲劳寿命随静态应力/应变的增加而增加，直至达到一个最大值，而后逐渐减小，并且应变结晶性橡胶和非应变结晶性橡胶疲劳寿命的增加的原因不同。

前者因为橡胶在裂纹尖端发生了应变结晶，可以阻止裂纹的进一步增长;后者因为往复循环应变能的降低。

空气氛围空气氛围对橡胶疲劳裂纹增长的影响也比较显著。

一般惰性环境(如氮气)使疲劳裂纹增长速率下降，氧和臭氧使疲劳裂纹增长加速。

与氧的影响相比，臭氧裂纹可在更低的应力下发生，0．5×10-6的臭氧可以使疲劳裂纹增长速率增加40％-80％。

此外，填料、硫化系统、硫化状态、抗氧剂对橡胶的疲劳性能均有一定的影响。

橡胶的阻尼热：由于橡胶复合材料的滞后损失大而导热性差，此类材料在承受循环载荷的同时伴随有较高的热生成，使材料表面和内部温度升高，加速了材料的疲劳破坏。

因此，研究此类材料在循环载荷下温度变化的一般规律，是对该类材料进行疲劳强度分析和寿命预报不可缺少的内容。

大部分橡胶疲劳的实验都是将阻尼热考虑进去，甚至直接研究橡胶材料在周期载荷下产热对材料疲劳性能的影响。

橡胶材料疲劳的相关理论研究撕裂能法：撕裂能T的最初数学定义式为：式中U——弹性应变能；A一一断裂表面积(无应变状态)在循环载荷作用下．裂纹增长速率为：式中c——裂纹长度；n——周期数；Tmax——每一周期所达到的最大撕裂能。

裂纹长度从c i增长到c j所需的周期数可以通过对式(2)的积分得到代入T与c的关系式，就可得到疲劳寿命与变形幅值、初始裂纹尺寸、裂纹增长特性之间的定量关系。

承受拉伸循环变形的矩形层合件中心区域的应变能是裂纹增长的主要原因．当层间裂纹扩展δc时，单位长度材料的能量损失δV为：式中Wc——试件中心区域的应变能密度；t——试件厚度。

撕裂能表达式为：1989年，Huang等采用帘线完全被橡胶包覆的复合材料模型，研究r帘线端头裂纹的产生过程。

由于周期性载荷使帘线端头处的橡胶产生高应力集中，该处橡胶便产生铜钱状裂纹。

材料中产生半径为c的铜钱状裂纹所导致的能耗可表示为：W为应变能密度。

铜钱状裂纹扩展时的撕裂能(应变能释放速率)T为：其中．k是与应变状态有关的常数，结合Lake等提出的疲劳裂纹增长四阶段规律，Huang最终得到的材料疲劳寿命方程为：以断裂力学为基础的撕裂能法在橡胶复合材料疲劳损伤研究中已取得了初步进展，但其主要困难在于确定撕裂能、裂纹尺寸、载荷或变形间的关系。

另外，该方法假定材料疲劳破坏的主要原因是橡胶相裂纹的增长，没有考虑帘线中纤维的断裂和橡胶．帘线界面剥离。

因此，撕裂能法基于橡胶相理想裂纹的假设只能适用于特定的材料模型和载荷范围。

疲劳寿命{S——N)曲线法1992年，万志敏等以人造丝增强橡胶复合材料为对象，研究了单向帘线一橡胶复合材料的疲劳寿命，试件应力与应变循环次数(N)的关系曲线如图所示。

研究表明。

单向帘线一橡胶复合材料的疲劳损伤表现为阶段过程，稳态损伤AB段)过程和加速损伤导致的断裂过程(BC段)。

在应变比为0.1、频率为3Hz时的S-N曲线如图2所示。

稳态疲劳寿命(即疲劳寿命)方程为：式中e b ——施加的应变值；Nb ——稳态疲劳寿命。

采用尼龙增强橡胶来模拟航空斜交轮胎的胎体材料，评价了试样的尺寸、加载频率及波形对疲劳寿命的影响。

图3所示为不同长／宽比(L ／W)的试件(W 为19．05 mm)在频率分别为l 和10 Hz 时的S —N 曲线。

2n 2lgN= -[lgf()+lg(+-3)+[1gG-lg(-1)-(-1)lgC -lgE]βλλβββλ显然，加载频率使疲劳极限降低，对疲劳寿命影响很大，而试样L／W的影响不大。

载荷序列对损伤累积过程的影响，基于动态蠕变的线性累积损伤模型。

对于两级加载，材料至整体破坏时的累积损伤为：式中D——累积损伤值；△ε1——第一级加载的动态蠕变量；△ε2——第二级加载的动态蠕变量；△εf1——第一级载荷单独作用时材料至整体破坏的动态蠕变量；△εf2——第二级载荷单独作用时材料至整体破坏的动态蠕变量。

S—N曲线对于研究橡胶复合材料的疲劳寿命是非常必要的，它所表现出的特征能使较大范围的应力、应变与疲劳寿命间的关系一目了然．可为材料的优化提供依据。

但是由于疲劳试验数据的分散性、试件加工尺寸的偏差、材料的原始缺陷等原因，只有通过获取大子样空间，运用概率统计的方法来处理，才能得到准确的疲劳特性和可靠寿命。

损伤力学方法根据损伤力学和不可逆热力学，以循环蠕变为损伤变量，建立了单向橡胶复合材料的损伤演化方程：式中M，B一一材料常数；σ*——拉伸应力幅值；σ0——平均应力；E pi——初始循环模量。

这是一非线性损伤累积。

损伤率不仅与应力幅值、平均应力有关，还和当时的损伤值有关。

而频率对损伤率的影响是通过初始循环模量反映的。

对该方程积分可得到疲劳寿命：疲劳寿命与应力幅值和频率的关系如图4所示。

目前，以损伤力学为基础对橡胶复合材料疲劳损伤演化的研究仅限于单层材料，而实际结构中使用的多为层合材料，层合材料的一个潜在问题就是层间开裂。

这类材料的疲劳损伤机理为：在循环载荷作用下，裂纹在层间产生并向内部扩展，最终脱层破坏。

因此，研究层合的橡胶复合材料的疲劳损伤更具实际意义。

有关疲劳实验研究橡胶材料，离不开讨论阻尼所产生的热能，这是因为橡胶材料对温度是十分敏感的，温度变化稍大，橡胶材料性能就会表现出较大的变化。

因此查阅到的大部分实验都是与阻尼热有关的。

试件相关数据：试件经模压成型，为哑铃状，有效工作段尺寸为60 mm×25 mm×2 .7 mm。

所施加的载荷为正弦波形P =P0+P0sin wt ，每个试件首先被准静态拉伸至平均载荷P0，然后施加正弦载荷至所需要的值。

试验频率为f =5Hz ，环境温度为T =24℃。

应力幅值对单位时间内热生成率的影响：随应力幅值的增加，材料在单位时间内热生成率与总滞后损失之比下降。

这种现象是由材料的非线性粘弹性或者材料内部结构变化引起的。