影響疲勞壽命的因素

1、影響橡膠疲勞壽命的因素一環(huán)境條件環(huán)境影響在疲勞過程中特別是在長壽命的橡膠材料中起著關(guān)鍵作用。橡膠應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系和疲勞老化性能發(fā)展的方式在很大程度上依賴于材料的溫度以及橡膠成分周圍化學(xué)反應(yīng)物的存在和濃度A溫度升高的溫度對橡膠形核壽命和疲勞裂紋增長速率產(chǎn)生有害的影響，這種有害影響在無定形橡膠中表現(xiàn)的最為明顯，對于純的丁苯橡膠處于可控測試中，隨著溫度從0到100，疲勞壽命化降低10000倍，而對于純的天然膠而言，在相同條件下，疲勞壽命降低4倍。填料的加入可能降低對溫度的依賴性。在疲勞裂紋增長測試中類似的影響可能被觀察到。上述溫度的影響與由于老化或進一步教交聯(lián)所發(fā)生的化學(xué)變化無關(guān)。溫度對這些化學(xué)過程的

2、速率產(chǎn)生很大的影響這種影響能夠在升溫或長時間內(nèi)導(dǎo)致附加分解。溫度實際對長期行為地影響程度取決于配方設(shè)計；固化劑，抗氧化劑等這些因素以后討論。B臭氧在一個長期的疲勞測試中，有臭氧存在很大程度上會增大裂紋的增長速率和縮短壽命。由于應(yīng)力集中，彈性體網(wǎng)鏈在裂紋尖端很容易與臭氧反應(yīng)，臭氧與主要聚合物分子鏈的碳-碳雙鍵發(fā)生反應(yīng)引起斷鏈。當(dāng)瞬間的能量釋放速率超過一個小的起點，就會發(fā)生由于臭氧襲擊而引起的裂紋增長，這個起點由Gz表示，Gz通常比機械疲勞起點T更小，Gz的值恨得程度上取決于配方設(shè)計，特別是抗氧化劑和抗臭氧劑存在。對于沒有加入任何這些物質(zhì)的橡膠來說，Gz=O.lJ/m2,當(dāng)有抗臭氧劑存在時，Gz會

3、增大10倍或更多，相比較而言，機械疲勞起點大約為T=50J/m2，臭氧看起來不影響機械疲勞起點的值，其他化學(xué)物質(zhì)能夠以一種類似臭氧的方式侵襲橡膠。Gent和Mrath研究了在一個很大的范圍內(nèi)溫度對臭氧增長速的影響。兩個物理量被發(fā)現(xiàn)可以控制列為裂紋增長率da/dt，在玻璃化轉(zhuǎn)變溫度附近裂紋增長速率是與v溫度成比例的，而與臭氧無關(guān)。在足夠高的溫度下(Q-Tg100)，裂紋增長速率完全依賴于臭氧濃度而與溫度無關(guān)?？偟牧鸭y增長速率由下列方程式近似的給出(7)da(11=+-secmg4山曰-門(),12xi(r12C1H1莎J7莎/打Jesee/已提出Rt與反映臭氧分子影響彈性體網(wǎng)絡(luò)鏈在裂紋尖端的彈性

4、網(wǎng)絡(luò)分子鏈。據(jù)認(rèn)為，R2與粘彈性行為有關(guān)，在網(wǎng)絡(luò)鏈斷裂以后，通過有限的時間需要重新分配裂紋尖端應(yīng)變。C應(yīng)變氧氣至少以兩種方式影響機械疲勞行為。首先在氧條件下機械疲勞裂紋增長起點值要比在真空下低。其次，氧氣溶解或擴散在橡膠中可能隨時間延長會導(dǎo)致大部分彈性體網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)發(fā)生化學(xué)變化，這個過程通常被稱為氧化老化。氧化老化會引起脆化和降低疲勞裂紋增長。甚至對那些以前沒有暴露在空氣中的橡膠樣品又氧氣的存在在一定的能量釋放速率條件下也會增加疲勞裂紋增長速率。從能量釋放速率需要維持一定的裂紋增長速率的角度來看，這個結(jié)很容易被描述。對于未填充的天然膠，在低的能量釋放速率下，在相同的疲勞裂紋增長速率下，在空氣中的能

5、量釋放速率大約是真空能量釋放速率的一半。但是在較高的能量釋放速率下有無氧氣以變得不十分重要，而主要依賴于測試頻率。在較低的頻率下，區(qū)別會維持在較高的能量釋放速率，影響的重要性取決于聚合物的類型。Gent和Mrath比較了NR，SBR，BR在靜態(tài)下與同期負(fù)荷下，在空氣與真空中的裂紋增長速率。他們觀察到由于氧的存在疲勞裂紋增長速率僅增長了兩個數(shù)量級，對SBR和BR來說在空氣和真空中可觀察到差別8個數(shù)量級。在一次有氧氣氛下，然后再把氧去掉，然后再在有氧氣氛的實驗中，他們證實了氧對疲勞裂紋增長速率的影響是可逆的。在這次試驗中裂紋增長速率被觀察到先增大，然后降低，然后在增大到初始水平。與氧的存在和不存在

6、相對應(yīng)。氧的老化作用不可逆的改變了橡膠的機械性能。通常情況下，老化會使橡膠變脆，疲勞裂紋增長加快，降低臨界斷裂能，且使疲勞壽命降低。老化可以影響Power-Law和裂紋成紋關(guān)系的斜率和截距。隨著彈性體的老化對應(yīng)力有更高的敏感性。Blackman和Mcall研究了老化的不同時期對天然膠疲勞壽命的影響。他們發(fā)現(xiàn)吸收樣品重量1%的氧時導(dǎo)致疲勞壽命降低2個數(shù)量級。老化的影響主要依賴于配方和加工的多變性，以下將進行討論。二橡膠配方橡膠工程的一個獨特方面就是可以通過改變組成配方和加工過程能夠得到高范圍的機械性能。我們所知道的影響疲勞行為的配方有橡膠類型，填料的類型和種類，抗氧化劑，抗臭氧劑，交聯(lián)劑的類型和

7、數(shù)量。加工過程通過各組分的分散程度交聯(lián)程度以及裂紋產(chǎn)生原始位置的存在和性質(zhì)來影響疲勞行為的。A橡膠類型聚合物類型影響疲勞行為的許多方面。聚合物是存在表現(xiàn)應(yīng)力結(jié)晶是一個主要的考慮因素。就像以前所討論的，在合適或高應(yīng)力水平下，應(yīng)力結(jié)晶對疲勞行為產(chǎn)生有利的結(jié)果。如想與能夠?qū)Νh(huán)境影響的敏感程度有所降低。不存在應(yīng)力結(jié)晶的聚合物，在同期性負(fù)荷下，連續(xù)的裂紋增長是顯著的。表現(xiàn)為應(yīng)力結(jié)晶的聚合物例如有天然橡膠，異戊橡膠，氯丁膠，順丁膠，丁基橡膠，丁腈橡膠，丁丙橡膠。橡膠彈性體的類型和應(yīng)用的論述Hamed已經(jīng)給出。由于在合成橡膠中得到寬系列的性能是可能的，所以除了高度簡單或標(biāo)準(zhǔn)的配方外，很難給出某一聚合物在特定

8、應(yīng)用中的結(jié)果代表。Lake和Lindley關(guān)于8種填充和非填充的聚合物類型的疲勞裂紋增長行為的結(jié)果被展示在圖表中，Power-law疲勞裂紋增長固定不變是由于Young，4種填充天形體和它們的應(yīng)用在表格1種給出。從這些數(shù)據(jù)中能夠看出，表現(xiàn)應(yīng)力結(jié)晶的橡膠有一個較低的疲勞裂紋增長指數(shù)F，再高能量釋放速率下由于其他彈性體。在低應(yīng)力下，丁膠優(yōu)于丁氰橡膠，丁苯膠優(yōu)于天然橡膠。圖6頁展示了順丁膠在低能量釋放速率下也表現(xiàn)優(yōu)越的行為，再高釋放能量速率下可以看出，彈性體類型的不同可以解釋裂紋增長速率所占據(jù)的兩個數(shù)量級。在低能量釋放速率下，不同點看起來會少一些，Young的結(jié)果可以看出關(guān)于能量釋放速率的Power

9、-law指數(shù)，可以通過不同聚合物的類型并用來一定程度上得到控制。B填料在橡膠混合物中加入炭黑有明顯的補強作用，并依賴于填料的類型以及所占的體積分?jǐn)?shù)。在一定體積分?jǐn)?shù)下，低結(jié)構(gòu)的炭黑度明顯優(yōu)于高結(jié)構(gòu)的炭黑度，且較高比表面積也是有利的。填料對疲勞性能的影響歸因于多種機理。包括：1填料的剛度和滯后性能導(dǎo)致明顯的變化；2裂口的橡膠填料組分的不均勻?qū)е铝芽诓讳h利，有偏差以及分歧：3填料粒子的附聚作用導(dǎo)致有效的起始缺口航次村的增加。當(dāng)基于相同的能量釋放速率進行比較，最理想的填料量可以比較得出，即最小的裂紋增長速率（最高疲勞壽命）。低于理想體積分?jǐn)?shù)時，隨著體積分?jǐn)?shù)的增加，逐漸提高的增強作用的分散性導(dǎo)致疲勞壽命

10、提高。對于高理想的體積分?jǐn)?shù)時，有效起始缺口尺寸的增加抵消了其他的得到的，導(dǎo)致了總體上疲勞壽命的降低。基于Auer的數(shù)據(jù)，在丁苯橡膠中HAF炭黑的理想填充量為每100份的橡（按重量）需30-60份的炭黑。Lake和Lindley對具有三種不同填料體系（一種為不加填料，一種為50phrN900，另一份加50phrN300）的8種聚合類型展示在圖表6中?？梢钥闯黾尤胩亢诘膹椥泽w相對不加炭黑的彈性體來說總體上降低了裂紋增長速率。增長的程度很大程度上依賴于炭黑的類型。較細(xì)級別的炭黑產(chǎn)生更大的提高相應(yīng)的影響（填充彈性體優(yōu)于為填充的彈性體，較細(xì)級別的炭黑優(yōu)于較粗級別的可從圖表6中看出。由于填料的體積分?jǐn)?shù)對混

11、合物的硬度有很大的影響，所以考慮是否這種應(yīng)用在位移控制和負(fù)荷控制或介于某個范圍之間是重要的。在位移控制下，最小的復(fù)合物硬度（例如用較少的填料）使能量釋放速率達(dá)到最低限度，得到最大疲勞壽命。但是在負(fù)荷控制下，最小的復(fù)合物硬度能增大能量釋放速率，導(dǎo)致短的疲勞壽命。由于硬度的不同，對聚合物不同的有效比較，不僅能解釋疲勞壽命的不同，而且能結(jié)識能量釋放速率的不同。R-.vI.iu(hkMir丹mi曲門圧盯：吊oQm山厲FilledElastomerjjM測v=占丁匚旳nRih.rim：ElastomerBb(rn/cycte)rtJ/mJ卜F切NR/BRBlend138x10i+2.C245/45/10

12、CIIR/NR/EPDMBlend3J9xl(y141.9160/35/5CllII/NR/pPDMBM0.95x10141.96NR4.46x10u山0R12加10出3.44CHR0.65x10131RIIR0J2!0m3.420)1oJ1011OfT嘛mOGumFiliediiih50ptiFN3O0airtxjiLblzitk(Iinc)-FilledivHh50phrN900jtarbonblack(coarse)1ij.b.XlnrLignetNtrkjynjwthkdinviorlorcijh!elanmurLypc.Hcsiils1nruiillllil.jndI幅niilhil

13、ypcs：axshown,fromlkcpndJrtdlty.5117isihcSiminUnergyRelelsBRaid.Noicthillkg/tina-yKIC抗降解劑抗降解劑被夾道橡膠聚合物中，能部分的避免氧化和臭氧的老化作用。在一些情況下，加這些作用物幾乎能夠和在真空操作下是等效的。不同的作用物依賴于不同的機理阻止化學(xué)反應(yīng)降解，在橡膠中石蠟遷移到橡膠表面，再彈性體和空氣中的降解劑之間提供一個物理障礙。其他降解劑通過與降解劑或其他要求完成降解反反應(yīng)的物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而起作用。有效的抗降解劑對材料性能作用和用處的全面調(diào)查需要對聚合物有一定的細(xì)節(jié)性了解。這超過了這次評論的范圍。對于感興趣的讀者，我相信Scott的評論應(yīng)該可以提供一個有幫助的起點D交聯(lián)劑交聯(lián)劑被用在熱固性彈性體中，在鄰近聚合物鍵之間產(chǎn)生共價鍵或交聯(lián)鍵，在很大的程度上交聯(lián)鍵的密度決定了橡膠的物理性能。高交聯(lián)度能夠提高硬度降低滯后作用。存在一個最佳的交聯(lián)密度導(dǎo)致最長的疲勞壽命。由于補強的競爭作用，交聯(lián)鍵數(shù)量的增加以及由于滯后現(xiàn)象消耗能量的能量降低而使疲勞壽命達(dá)到最高點在交聯(lián)過程中形成的交聯(lián)鍵類型