橡膠材料多軸疲勞壽命及微觀結(jié)構(gòu)研究.pdf

1、橡膠制品通常是在周期性復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下使用的，橡膠材料的疲勞斷裂性能往往決定這些制品的疲勞壽命。為了保證橡膠制品使用時(shí)的安全性和可靠性，研究橡膠材料疲勞特性及疲勞斷裂微觀機(jī)理具有重要的意義。本文對(duì)兩種配方的填充型硫化天然橡膠進(jìn)行了宏觀力學(xué)性能和微觀結(jié)構(gòu)比較研究，主要包括以下內(nèi)容。 通過(guò)宏觀力學(xué)性能試驗(yàn)和理論分析，結(jié)果表明：低硬度的材料A與高硬度的材料B相比，表現(xiàn)出了更明顯的高彈性，填充物與基體之間具有更好的粘附性；完成了一系列對(duì)于

2、單軸和多軸疲勞實(shí)驗(yàn)，橡膠材料的動(dòng)態(tài)疲勞過(guò)程均可分為三個(gè)階段：循環(huán)軟化階段、微裂紋穩(wěn)定擴(kuò)展階段和裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展階段，且橡膠材料均表現(xiàn)出循環(huán)軟化特征，具有明顯的Mullins效應(yīng)；與材料A相比材料B軟化程度要大些，對(duì)于同種材料的橡膠而言，橡膠初始由Mullins效應(yīng)造成的軟化的程度取決于加載歷史中經(jīng)歷的最大應(yīng)變；在相同等效應(yīng)變幅下，與比例循環(huán)加載相比，非比例加載表現(xiàn)為明顯的非比例附加循環(huán)軟化現(xiàn)象；在相同應(yīng)變幅值下，兩種材料多軸加載路徑對(duì)應(yīng)材料

3、壽命遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于單軸加載壽命；材料A的壽命遠(yuǎn)遠(yuǎn)的高于材料B；老化后試件的疲勞壽命要比未老化的材料疲勞壽命小的多。 在循環(huán)非對(duì)稱載荷作用下，橡膠具有棘輪效應(yīng)，軸向棘輪應(yīng)變隨著軸向應(yīng)力和剪切應(yīng)變幅值的增大而增大，相同加載幅值下，加載速率主要影響初始變形，當(dāng)材料經(jīng)歷較大的軸向載荷和大的應(yīng)變幅后，隨后的較小加載條件下產(chǎn)生的棘輪應(yīng)變的發(fā)展會(huì)受到明顯抑制；在多軸棘輪效應(yīng)實(shí)驗(yàn)中，蠕變的影響不可忽略，且占很大的成分。 通過(guò)掃描電子顯微鏡（S

4、EM）研究表明：材料A為空穴引起的失效，材料B為剝離導(dǎo)致疲勞破壞；隨著載荷幅值的減小，材料A在單軸載荷下，斷口表面浮出更多更大直徑的球狀顆粒，而多軸載荷下，可以看到很深的裂紋；隨著載荷幅值的減小，材料B在單軸載荷下，斷口表面魚(yú)鱗片越來(lái)越大，表面越來(lái)越平整，而多軸載荷與單軸載荷相比，斷口表面看上去更加平整，并且隨著載荷幅值的減小，斷口逐漸呈現(xiàn)波浪形貌. 通過(guò)微觀的傅立葉變換紅外光譜分析，結(jié)果表明隨著應(yīng)變幅值的增加，無(wú)論載荷是單軸還

5、是多軸狀態(tài)下，橡膠材料吸光度比值隨著幅值的增加而增加，這說(shuō)明體系中的結(jié)晶含量也隨之增加。多軸加載情況下結(jié)晶譜帶增強(qiáng)的趨勢(shì)比單軸加載情況下要弱很多；通過(guò)對(duì)材料B交聯(lián)密度的測(cè)定，發(fā)現(xiàn)無(wú)論是單軸還是多軸循環(huán)載荷作用下，其交聯(lián)密度都隨著軸向應(yīng)變幅值的增加而增大，同時(shí)在相同的軸向應(yīng)變的作用下，多軸載荷作用下破壞試件的交聯(lián)密度比單軸的大。 利用現(xiàn)有橡膠材料疲勞損傷模型對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了評(píng)估：盡管等效應(yīng)變法有著種種弱點(diǎn)，但是在對(duì)兩種配方的填充型

6、硫化天然橡膠多軸疲勞數(shù)據(jù)的擬合中，還是顯示了一定的優(yōu)越性；能量法應(yīng)變能密度（SED）模型對(duì)于多軸預(yù)測(cè)結(jié)果較差，整體偏于保守；開(kāi)裂應(yīng)變能密度（CED）模型考察了某一臨界面上的能量，對(duì)兩種配方的填充型硫化天然橡膠多軸疲勞預(yù)測(cè)結(jié)果都較好，大部分?jǐn)?shù)據(jù)在兩倍分散帶以內(nèi)。嘗試采用金屬多軸疲勞領(lǐng)域經(jīng)典的臨界面拉伸型模型對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了評(píng)估：Chen-Xu-Huang模型，在兩種材料中均有較好的的預(yù)測(cè)結(jié)果；而Wang-Brown模型和SWT模型在材料B