橡膠疲勞失效機理的研究

任欣

摘要：橡膠作為一種彈性高、造價低廉的材料，在各個行業都被廣泛運用，尤其是在工業制造和國防事業中。在的實際使用過程中，橡膠制品（如橡膠減震器、橡膠手套、橡膠密封圈等），通常在周期性作業下超負荷工作，此時如果橡膠出現了疲勞、斷裂的現象，就會損壞機械、導致事故和重大經濟損失的發生。由此可見，在橡膠產品開發初期探究分析橡膠密封圈的失效成因，改進橡膠制品的生產流程，保證橡膠材料的質量和使用壽命是保障產品質量、提升企業生產利潤的重要前提。

關鍵詞：橡膠疲勞;耐久性;裂紋拓展;裂紋萌生

提高橡膠材料的使用壽命對保證橡膠制品的耐久性有重要的意義。本文旨在從研究橡膠的疲勞壽命的方法、影響橡膠疲勞的要素、橡膠疲勞實驗結果探究等方面探究橡膠材料與橡膠制品疲勞之間的關系，希望能夠為生產橡膠的企業提供具有現實意義的改進策略，促進橡膠產業的發展。

1 橡膠動態疲勞的研究方法

橡膠制品的斷裂過程主要分為兩個步驟：（1）從完整到微小裂紋形成的階段（如圖1的A區域），斷面上未見到明顯的材料缺陷。（2）從小裂紋到裂紋延展直至斷裂的階段（如圖1的B區域）。探究橡膠材料的疲勞壽命也應當從這兩個階段展開，針對前者的分析方法被稱為裂紋萌生法，后者則被稱為裂紋拓展法。在實際研究中，這兩種階段的分界點往往比較模糊，在一般情況下，計算橡膠疲勞壽命、當橡膠制品產生明顯磨痕、缺口或結構性斷裂時運用裂紋拓展法。裂紋萌生法則運用于橡膠無明顯缺口或有細小磨損的情況。

圖1 橡膠的不同斷裂情況

2 影響橡膠動態疲勞壽命的因素

2.1交聯網絡

橡膠的交聯網絡能夠在一定程度上影響橡膠的性能和疲勞狀況，硫化反應對橡膠疲勞壽命有重要影響，硫化機和硫化反應可以提高橡膠的耐疲勞性，延長橡膠的使用壽命。橡膠制品生產商應該注意使用適配橡膠材料的硫化劑，這同樣能夠影響橡膠的老化速率。

2.2應力-應變條件

由于橡膠在使用過程中受外界載荷的作用，因而橡膠對于應力-應變的敏感度很高，其中應力和應變幅度是最重要的因素。研究顯示，最小應變與載荷比R與橡膠壽命成正比，當R的值較大時，裂紋尖端會產生鈍化效應，而鈍化效應引起的結晶將會阻礙裂紋的增長。

2.3環境條件

環境是橡膠疲勞分析中的關鍵要素，尤其是在橡膠高密度作業的情況下，溫度、壓力以及不同濃度的化學反應物含量會直接影響橡膠材料的力學行為和疲勞狀況。

以溫度這一關鍵影響因素為例，不同種類的橡膠材料對溫度的敏感性不同，將試驗溫度從0度升高到110度時，天然橡膠的疲勞壽命縮短了4倍，而丁苯橡膠縮短了一萬倍之多。

不同的大氣環境對橡膠疲勞同樣有著舉足輕重的影響，比如橡膠接觸到的氧氣、臭氧氮氣的含量，在其他變量相同的情況下，惰性氣體如氮氣會使橡膠壽命增長，而臭氧以及氧氣會使疲勞裂紋增長速率變高。

3橡膠疲勞理論的應用

在實際開發橡膠制品的過程中，開發人員需要針對影響橡膠動態疲勞壽命的因素，改進橡膠制品的設計方案，其基本流程為：（1）依照橡膠元件的屬性和功能要求對其進行結構性設計，通過程序模擬真實的工作情況對橡膠元件的結構進行綜合分析。（2）根據疲勞實驗的數據材料，建立符合工況的疲勞壽命預期模型，將橡膠元件的基本數據與疲勞壽命試驗數據輸入預測模型進行分析，再通過實驗數據與模型數據的比對，進行可靠性分析。（3）在分析前需要對橡膠疲勞失效制定一系列的標準，如分析結果符合準則的標準，則說明設計滿足橡膠制品工作需要的標準，反之，當測算結果無法與標準相符時，開發人員需要對橡膠元件進行重構和重新計算，使之最終滿足疲勞設計的標準，在實際開發產品時，對產品進行檢驗也是必要的，對產品進行疲勞壽命試驗，能夠保證產品的使用壽命和品控。

4結語

橡膠作為一種有重要意義的彈性材料已經有一百多年的應用歷史，在國防建設與經濟建設中起到了不可替代的作用。橡膠不僅僅是生活中不可或缺的材料，同樣也是高新機械生產與發展的重要性材料，故保障橡膠的品質和使用壽命有著十分重要的現實意義。

本文著重探討了影響橡膠疲勞壽命的常見因素、研究方法以及橡膠疲勞理論的運用，為橡膠產品設計改良提供參考。在實際生產中，橡膠制品疲勞的成因往往不是單方面的，廠商應當結合理論和實際情況進行綜合分析，從而找出確切原因，制定應急預案與改進措施，從而保證橡膠制品品質，提高企業產投比和經濟效益。

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