肖建斌(青島科技大學(xué)橡塑材料與工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,山東青島 266042)
摘要:用斷裂力學(xué)方法研究炭黑N110,N220和N330補(bǔ)強(qiáng)NR硫化膠的疲勞破壞特性。結(jié)果表明,隨著疲勞時(shí)間的延長(zhǎng),3種炭黑補(bǔ)強(qiáng)硫化膠的拉斷形變能密度均減小,且炭黑粒徑越小,硫化膠的拉斷形變能密度降幅越大;炭黑粒徑越小的硫化膠內(nèi)部潛在缺陷越小,但抗裂紋擴(kuò)展性能越差,疲勞壽命越短;3種炭黑補(bǔ)強(qiáng)硫化膠的疲勞壽命方程均能較準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)其疲勞壽命。
關(guān)鍵詞:NR;炭黑;動(dòng)態(tài)疲勞;疲勞破壞;疲勞壽命;斷裂力學(xué)
中圖分類號(hào):TQ332;TQ330·38+1;TQ330·7文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):1000-890X(2006)01-0016-04
按照斷裂力學(xué)的觀點(diǎn),疲勞破壞是指在疲勞過(guò)程中由于應(yīng)力集中,材料的潛在缺陷產(chǎn)生微量增長(zhǎng)而形成裂紋,裂紋再逐漸擴(kuò)展直至材料斷裂的現(xiàn)象[1]。
橡膠材料的疲勞破壞特性不僅取決于膠料配方和疲勞破壞條件,而且取決于動(dòng)態(tài)變形過(guò)程中橡膠材料的微觀結(jié)構(gòu)和物理性能變化[2]。研究橡膠材料的疲勞破壞特性,對(duì)保證橡膠制品使用的安全性和可靠性具有重要的意義。
評(píng)價(jià)疲勞破壞特性最可靠的方法是進(jìn)行實(shí)際使用條件下的測(cè)試,但這需要較長(zhǎng)的時(shí)間和昂貴的費(fèi)用。因此,一般是在特定條件下對(duì)材料進(jìn)行拉伸或壓縮等動(dòng)態(tài)試驗(yàn),并繪制出疲勞壽命曲線,從而獲得材料的疲勞破壞特性。
1 實(shí)驗(yàn)
1·1 原材料
NR,1#標(biāo)準(zhǔn)膠,海南農(nóng)墾橡膠總公司產(chǎn)品;炭黑N110,N220和N330,青島德固薩化學(xué)有限公司產(chǎn)品;其它配合劑均為市售工業(yè)品。
1·2 試驗(yàn)配方
NR 100,炭黑(變品種) 50,氧化鋅 5,硬脂酸 3,硫黃 2·25,促進(jìn)劑DM 1,防老劑4010NA 1·5,石蠟 1。
1·3 試樣制備
膠料按常規(guī)工藝混煉,在50 t平板硫化機(jī)上硫化,硫化條件為145℃/10 MPa×t90。將硫化膠片裁成啞鈴形試樣(裁刀狹長(zhǎng)部分的寬度為10mm),部分試樣用自制刀具切出銳利的單邊切口,切口深度用讀數(shù)顯微鏡測(cè)試。
1·4 測(cè)試
(1)拉伸疲勞破壞試驗(yàn)按GB/T 1688—1986在PL-140型拉伸疲勞試驗(yàn)機(jī)(上海化工機(jī)械四廠產(chǎn)品)上進(jìn)行,拉伸頻率為500 r·min-1。
(2)試樣斷面形貌采用JEM-2000型掃描電子顯微鏡(SEM)觀察,觀察前對(duì)試樣斷面作真空噴金處理,鍍金膜厚度為0·02μm。
2 結(jié)果與討論
2·1 動(dòng)態(tài)疲勞破壞歷程
唯象論認(rèn)為,材料的疲勞破壞是由于其內(nèi)部缺陷(氣泡、微裂紋等)引發(fā)的裂紋不斷傳播和擴(kuò)展導(dǎo)致的。裂紋的傳播方式和擴(kuò)展速度由材料的粘彈性決定,表現(xiàn)出強(qiáng)烈的時(shí)間-溫度效應(yīng)。
分子論觀點(diǎn)認(rèn)為,橡膠材料的動(dòng)態(tài)疲勞破壞歸因于化學(xué)鍵的斷裂,即試樣在周期性應(yīng)變過(guò)程中,應(yīng)力不斷集中于橡膠分子網(wǎng)鏈“弱”鍵處而產(chǎn)生微裂紋,微裂紋處的分子網(wǎng)鏈繼續(xù)斷裂而形成宏觀裂紋,直至材料破裂。裂紋發(fā)展是分子網(wǎng)鏈連續(xù)斷裂的粘彈性非平衡過(guò)程[3,4],該過(guò)程包括隨時(shí)間延長(zhǎng)分子網(wǎng)鏈連續(xù)不可逆斷裂以及裂紋尖端處和其附近與分子運(yùn)動(dòng)有關(guān)的塑性變形。分子網(wǎng)鏈的斷裂能以熱的形式散發(fā)掉,這一微觀過(guò)程的宏觀表現(xiàn)是動(dòng)態(tài)疲勞過(guò)程中裂紋穿過(guò)試樣不斷擴(kuò)展,直至試樣斷裂。
疲勞裂紋增長(zhǎng)是機(jī)械作用和化學(xué)反應(yīng)累積到一定程度產(chǎn)生的,即疲勞過(guò)程中各種物理和化學(xué)因素共同作用導(dǎo)致分子網(wǎng)鏈斷裂以及加速材料的疲勞老化過(guò)程。
動(dòng)態(tài)疲勞過(guò)程大致分3個(gè)階段:第1階段,應(yīng)力發(fā)生急劇變化,出現(xiàn)應(yīng)力軟化現(xiàn)象;第2階段,應(yīng)力變化緩慢,材料表面或內(nèi)部產(chǎn)生損傷(破壞核);第3階段,損傷引發(fā)裂紋并連續(xù)擴(kuò)展,直至斷裂破壞,這是材料疲勞破壞的關(guān)鍵階段。
2.2 疲勞破壞特性
2·2·1 拉斷形變能密度
拉斷形變能密度反映硫化膠的抗拉斷性能,拉斷形變能密度大,硫化膠的抗拉斷性能好[5]。硫化膠的拉斷形變能密度的測(cè)試方法是:先將試樣進(jìn)行一定時(shí)間的拉伸疲勞試驗(yàn),再將試樣在電子拉力機(jī)上拉伸至斷裂并測(cè)得應(yīng)力-應(yīng)變曲線,對(duì)曲線下的面積積分即得試樣的拉斷形變能密度。3種炭黑補(bǔ)強(qiáng)硫化膠拉斷形變能密度與疲勞時(shí)間的關(guān)系如圖1所示[拉伸比(λ)為1·5]。
從圖1可以看出,在疲勞試驗(yàn)的初始階段,炭黑N110補(bǔ)強(qiáng)硫化膠的拉斷形變能密度最大,炭黑N220補(bǔ)強(qiáng)硫化膠次之,炭黑N330補(bǔ)強(qiáng)硫化膠最小;隨著疲勞時(shí)間的延長(zhǎng),3種炭黑補(bǔ)強(qiáng)硫化膠的拉斷形變能密度均減小,炭黑N110補(bǔ)強(qiáng)硫化膠的拉斷形變能密度降幅最大,炭黑N220補(bǔ)強(qiáng)硫化膠次之,炭黑N330補(bǔ)強(qiáng)硫化膠最小。其原因是,在疲勞過(guò)程中,由于機(jī)械作用和化學(xué)反應(yīng)導(dǎo)致橡膠交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)變化,即機(jī)械作用引起的橡膠分子鏈斷裂以及氧和臭氧老化等反應(yīng)引起的橡膠分子降解和交聯(lián)致使交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)中形成較多的鏈端,使得硫化膠的耐疲勞破壞性能降低;粒徑小、比表面積大的炭黑對(duì)橡膠分子的吸附力大,使得承受應(yīng)力的橡膠鏈段不能很快地通過(guò)分子運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生應(yīng)力松弛,致使橡膠分子鏈中的化學(xué)鍵在應(yīng)力的作用下被減弱或打斷;另外,粒徑小、比表面積大的炭黑提高了硫化膠疲勞過(guò)程中的內(nèi)耗,使硫化膠疲勞溫升提高,橡膠分子氧化降解速度加快,導(dǎo)致硫化膠的強(qiáng)度和耐疲勞破壞性能降低[6]。
2·2·2 疲勞壽命
(1)疲勞壽命曲線
疲勞壽命曲線也稱S-N曲線,S代表拉伸比、應(yīng)力或應(yīng)變,N為疲勞壽命。3種炭黑補(bǔ)強(qiáng)硫化膠的S-N曲線如圖2所示。
從圖2可以看出,3種炭黑補(bǔ)強(qiáng)硫化膠的疲勞壽命由短到長(zhǎng)的順序?yàn)樘亢贜110, N220,N330。出現(xiàn)這一現(xiàn)象的原因是橡膠分子之間和橡膠分子與炭黑之間過(guò)強(qiáng)的相互作用會(huì)限制能量耗散所需的分子運(yùn)動(dòng),即粒徑小、比表面積大的炭黑對(duì)橡膠變形(分子運(yùn)動(dòng))阻礙大,其補(bǔ)強(qiáng)硫化膠的往復(fù)變形內(nèi)耗大、溫升高,熱氧、臭氧老化等反應(yīng)強(qiáng)烈,耐疲勞破壞性能差。
(2)疲勞壽命方程
用數(shù)學(xué)模型lgN=a+b1λ+b2λ2對(duì)炭黑補(bǔ)強(qiáng)硫化膠的S-N曲線進(jìn)行擬合[7],采用回歸分析法求出a,b1和b2,得出炭黑N110補(bǔ)強(qiáng)硫化膠的疲勞壽命方程及復(fù)相關(guān)因數(shù)(R2)為:
lgN=15.075-9.265 1λ+2.153 7λ2
R2=0·997 7
炭黑N220補(bǔ)強(qiáng)硫化膠的疲勞壽命方程及復(fù)相關(guān)因數(shù)為:
lgN=13.427-7.117λ+1.519 3λ2
R2=0·997 8
炭黑N110補(bǔ)強(qiáng)硫化膠的疲勞壽命方程及復(fù)相關(guān)因數(shù)為:
lgN=13.306-6.908 7λ+1.500 2λ2
R2=0·998 8
可以看出,3種炭黑補(bǔ)強(qiáng)硫化膠的疲勞壽命方程的相關(guān)因數(shù)均接近于1,即各方程均可較好地?cái)M合硫化膠的S-N曲線,較準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)硫化膠的疲勞壽命。
2·3 疲勞斷裂特征
(1)參數(shù)β和C0
β和C0通過(guò)S-N曲線(采用傷痕長(zhǎng)度與疲勞壽命疊加法[8],將圖2曲線向較小拉伸比方向延伸)求出,可以定量表征硫化膠的疲勞斷裂特性[9]。β值與S-N曲線的形狀有關(guān),β值越大,表明隨著拉伸比增大,硫化膠的裂紋擴(kuò)展速度越快;C0表征硫化膠中潛在缺陷的等價(jià)微裂紋尺寸,C0值越大,硫化膠中潛在缺陷的尺寸越大。試驗(yàn)測(cè)得的3種炭黑補(bǔ)強(qiáng)硫化膠的β和C0值見(jiàn)表1。
從表1可以看出,炭黑N110補(bǔ)強(qiáng)硫化膠的β值最大,C0值最小,說(shuō)明炭黑N110補(bǔ)強(qiáng)硫化膠的潛在缺陷最小,但裂紋擴(kuò)展速度最快;炭黑N330補(bǔ)強(qiáng)硫化膠的β值最小,C0值最大,說(shuō)明炭黑N330補(bǔ)強(qiáng)硫化膠裂紋擴(kuò)展速度最慢,但潛在缺陷最大;炭黑N220補(bǔ)強(qiáng)硫化膠的β值和C0值居中,說(shuō)明炭黑N220補(bǔ)強(qiáng)硫化膠的潛在缺陷和裂紋擴(kuò)展速度居中。
(2)斷面形貌
3種炭黑補(bǔ)強(qiáng)硫化膠斷面形貌如圖3~5所示。
從圖3~5可以看出,炭黑N110補(bǔ)強(qiáng)硫化膠的斷面較平整、光滑,孔洞最小,呈脆性斷裂形貌,說(shuō)明炭黑N110補(bǔ)強(qiáng)硫化膠的潛在缺陷最小,但裂紋擴(kuò)展速度快;炭黑N220補(bǔ)強(qiáng)硫化膠的斷面裂紋清晰,孔洞較大,說(shuō)明炭黑N220補(bǔ)強(qiáng)硫化膠的潛在缺陷較大;炭黑N330補(bǔ)強(qiáng)硫化膠的斷面凹凸不平,孔洞最大,呈延展性破壞形貌,說(shuō)明炭黑N330補(bǔ)強(qiáng)硫化膠的裂紋擴(kuò)展速度慢,但潛在缺陷最大。該結(jié)論與前面的結(jié)論吻合。
3 結(jié)論
(1)隨著疲勞時(shí)間的延長(zhǎng),炭黑N110,N220和N330補(bǔ)強(qiáng)NR硫化膠的拉斷形變能密度均減小,且炭黑粒徑越小,硫化膠的拉斷形變能密度減小越快。
(2)炭黑粒徑越小的NR硫化膠內(nèi)部潛在缺陷越小,但裂紋擴(kuò)展速度越快,疲勞壽命越短。(3)3種炭黑補(bǔ)強(qiáng)NR硫化膠的疲勞壽命方程能較準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)其疲勞壽命。
