（化工过程机械专业论文）橡胶材料多轴疲劳寿命及微观结构研究.pdf

中文摘要 橡胶制品通常是在周期性复杂应力状态下使用的，橡胶材料的疲劳断裂性能 往往决定这些制品的疲劳寿命。为了保证橡胶制品使用时的安全性和可靠性，研 究橡胶材料疲劳特性及疲劳断裂微观机理具有重要的意义。本文对两种配方的填 充型硫化天然橡胶进行了宏观力学性能和微观结构比较研究，主要包括以下内 容。 通过宏观力学性能试验和理论分析，结果表明：低硬度的材料a 与高硬度 的材料b 相比，表现出了更明显的高弹性，填充物与基体之间具有更好的粘附 性；完成了一系列对于单轴和多轴疲劳实验，橡胶材料的动态疲劳过程均可分为 三个阶段：循环软化阶段、微裂纹稳定扩展阶段和裂纹失稳扩展阶段，且橡胶材 料均表现出循环软化特征，具有明显的m u l l i n s 效应；与材料a 相比材料b 软化 程度要大些，对于同种材料的橡胶而言，橡胶初始由m u u i n s 效应造成的软化的 程度取决于加载历史中经历的最大应变；在相同等效应变幅下，与比例循环加 载相比，非比例加载表现为明显的非比例附加循环软化现象；在相同应变幅值下， 两种材料多轴加载路径对应材料寿命远远低于单轴加载寿命；材料a 的寿命远 远的高于材料b ；老化后试件的疲劳寿命要比未老化的材料疲劳寿命小的多。 在循环非对称载荷作用下，橡胶具有棘轮效应，轴向棘轮应变随着轴向应力 和剪切应变幅值的增大而增大，相同加载幅值下，加载速率主要影响初始变形， 当材料经历较大的轴向载荷和大的应变幅后，随后的较小加载条件下产生的棘轮 应变的发展会受到明显抑制；在多轴棘轮效应实验中，蠕变的影响不可忽略，且 占很大的成分。 通过扫描电子显微镜( s e m ) 研究表明：材料a 为空穴引起的失效，材料b 为剥离导致疲劳破坏；随着载荷幅值的减小，材料a 在单轴载荷下，断口表面 浮出更多更大直径的球状颗粒，而多轴载荷下，可以看到很深的裂纹；随着载荷 幅值的减小，材料b 在单轴载荷下，断口表面鱼鳞片越来越大，表面越来越平 整，而多轴载荷与单轴载荷相比，断口表面看上去更加平整，并且随着载荷幅值 的减小，断口逐渐呈现波浪形貌； 通过微观的傅立叶变换红外光谱分析，结果表明随着应变幅值的增加，无论 载荷是单轴还是多轴状态下，橡胶材料吸光度比值随着幅值的增加而增加，这说 明体系中的结晶含量也随之增加。多轴加载情况下结晶谱带增强的趋势比单轴加 载情况下要弱很多；通过对材料b 交联密度的测定，发现无论是单轴还是多轴 循环载荷作用下，其交联密度都随着轴向应变幅值的增加而增大，同时在相同的 轴向应变的作用下，多轴载荷作用下破坏试件的交联密度比单轴的大。 利用现有橡胶材料疲劳损伤模型对试验数据进行了评估：尽管等效应变法有 着种种弱点，但是在对两种配方的填充型硫化天然橡胶多轴疲劳数据的拟合中， 还是显示了一定的优越性；能量法应变能密度( s e d ) 模型对于多轴预测结果较 差，整体偏于保守；开裂应变能密度( c e d ) 模型考察了某一临界面上的能量， 对两种配方的填充型硫化天然橡胶多轴疲劳预测结果都较好，大部分数据在两倍 分散带以内。尝试采用金属多轴疲劳领域经典的临界面拉伸型模型对试验结果进 行了评估：c h e n o x u h u a n g 模型，在两种材料中均有较好的的预测结果；而w a n g b r o w n 模型和s w t 模型在材料b 中有较好的预测结果，在材料a 中寿命预测 结果却较差；提出新的考虑非比例附加软化的模型中引入应力项以考察非比例附 加循环软化对疲劳的影响，结果显示该模型克服了试验数据的分散性，可以更好 地预测材料的寿命，两种材料预测结果和实验结果吻合的都很好。 关键词：硫化天然橡胶，多轴疲劳，多轴棘轮，非比例载荷，交联密度，疲劳 寿命预测 a b s t r a c t r u b b e r sa r ee x t e n s i v e l yu s e di n m a n ya p p l i c a t i o n sb e c a u s eo ft h e i rl a r g e r e v e r s i b l ee l a s t i c d e f o r m a t i o n ， e x c e l l e n t d a m p i n g a n d e n e r g ya b s o r p t i o n c h a r a c t e r i s t i c s t y p i c a la p p l i c a t i o n si n c l u d ee n g i n em o u n t sa n dt i r e sf o ra u t o m o b i l e s ， v i b r a t i o ni s o l a t o r s ，s e a l s ，h o s e s ，b e l t s ，s t r u c t u r a lb e a r i n g s ，e r e s i n c et h e s ea p p l i c a t i o n s i m p o s el a r g es t a t i ca n dt i m ev a r y i n gs t r a i n s ，d u r a b i l i t ya n dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e sa r e o f t e nt h ep r i m a r yc o n s i d e r a t i o n i ti s p i v o t a l l yi m p o r t a n tt oi n v e s t i g a t et h ef a t i g u e c h a r a c t e r i s t i c sa n dm e c h a n i s mo fr u b b e r i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，m e c h a n i c a lb e h a v i o r s p r o p e r t i e sa n dm i c r o s t r u c t u r eo ft w of o r m u l a t i o n sf i l l e dv u l c a n i z e dn a t u r a lr u b b e r s a r ei n v e s t i g a t e dc o m p a r a t i v e l y m e c h a n i c a lb e h a v i o rp r o p e r t i e se x p e r i m e n t sa n dt h e o r e t i c a l a n a l y s i sr e s u l t s s h o wt h a tm a t e r i a lah a sh i g h e re l a s t i c i t ya n db e t t e ra d h e s i o na b i l i t yb e t w e e nf i l l e r a n dm a t r i xo fr u b b e rc o m p a r i n gw i t hm a t e r i a lb as e r i e so ff a t i g u et e s t su n d e r u n i a x i a la n dm u l t i a x i a ll o a d i n gw e r ec o n d u c t e d d y n a m i cf a t i g u ep r o c e s s e so fr u b b e r c a nb ed i v i d e di n t ot h r e es t a g e so fc y c l i cs o f t e n i n g ，s t a b l em i c r o - c r a c kg r o w t ha n d c r a c kr a p i dg r o w t hu n d e ru n i a x i a la n dm u l t i a x i a lf a t i g u el o a d i n g t w ok i n d so fr u b b e r m a t e r i a l sa r ea l l c y c l i cs o f t e n i n g ，w h i c hi s k n o w na sm u l l i n se f f e c t ，a n dt h e m a g n i t u d eo ft h ec y c l i cs o f t e n i n gd e p e n d so nt h em a x i m u ms t r a i ne x p e r i e n c e df o r s t r a i nr a t i or = 0 t h ed e g r e eo f c y c l i cs o f t e n i n go fm a t e r i a lb i sg r e a t e rt h a nt h a to f m a t e r i a la t h ee x t e n to fc y c l i cs o f t e n i n gf o rn o n p r o p o r t i o n a ll o a d i n gi sh i g h e rt h a nt h a t f o r p r o p o r t i o n a ll o a d i n ga tt h es a m ee q u i v a l e n ts t r a i na m p l i t u d e s ，w h i c hs h o w sa d d i t i o n a l c y c l i cs o f t e n i n g t h ef a t i g u el i f eo fm a t e r i a lu n d e rn o n p r o p o r t i o n a lp a t hi sm u c h s h o r t e rt h a nt h a tu n d e ru n i a x i a ll o a dw i t ht h es a m es t r a i na m p l i t u d e t h ef a t i g u el i f e o fr u b b e rai sm u c hl o n g e rt h a nt h a to fr u b b e rb t h ee f f e c t so fa x i a ls t r e s s ，s h e a rs t r a i nr a n g e ，s h e a rs t r a i nr a t ea n dt h e i rh i s t o r i e s o nr a t c h e t t i n gb e h a v i o rw e r es t u d i e d r e s p e c t i v e l y i ti ss h o w nt h a tt h er a t c h e t t i n g s t r a i nd e p e n d s0 1 1t h ea x i a ls t r e s sa n dc y c l i cs h e a rs t r a i nr a n g e t h er a t c h e t t i n gs t r a i n i n c r e a s e sm o r er a p i d l ya st h ec o n s t a n ta x i a ls t r e s sa n ds h e a rs t r a i nr a n g eb e c o m e l a r g e r t h el o a d i n gr a t eh a sm a i ni n f l u e n c eo nt h ei n i t i a ls t r a i nu n d e rt h es a m el o a d i n g a m p l i t u d e t h ep r i o rc y c l e sw i t hh i g h e ra x i a ls t r e s sa n dl a r g e rs t r a i nr a n g eg r e a t l y r e s t r a i n sr a t c h e t t i n gs t r a i no fs u b s e q u e n tc y c l i n gw i t hl o w e ro n e s c r e e pb e h a v i o r p l a y sa ni m p o r t a n tr o l e i nt h er a t c h e t t i n gs t r a i na n di t s i n f l u e n c eo nr a t c h e t t i n g b e h a v i o rc a nn o tb en e g l e c t e d f r a c t u r em o r p h o l o g yc h a r a c t e r i s t i c so ft w ok i n d so fm a t e r i a l sw e r ei n v e s t i g a t e d b ys c a n n i n ge l e c t r o nm i c r o s c o p e ( s e m ) i ts h o w st h a tf a i l u r eo f m a t e r i a lai si n d u c e d b yc a v i t a t i o na n dt h a to fm a t e r i a lbi si n d u c e db yd e c o h e s i o n f o rm a t e r i a la ，w i t h t h ed e c r e a s i n gs t r a i na m p l i t u d et h ef r a c t u r es u r f a c es h o w sm o r el a r g e rd i a m e t e r g l o b u l a rp a r t i c l e su n d e ru n i a x i a ll o a d i n ga n dc a nb es e e nm o r eo b v i o u sa n dd e e p c r a c ku n d e rm u l t i a x i a ll o a d i n g h o w e v e rf o rm a t e r i a lb ，w i t ht h ed e c r e a s i n gs t r a i n a m p l i t u d ef r a c t u r es u r f a c es h o w sl a r g e ra n dl a r g e rs c a l e l i k es h a p ea n db e c o m e sm o r e s m o o t hu n d e ru n i a x i a ll o a d i n g ，b u tf r a c t u r es u r f a c eu n d e rm u l t i a x i a ll o a d i n gl o o k s l i k em o r es m o o t ht h a nt h a to fu n i a x i a ll o a d i n g ，a n ds h o w sg r a d u a l l yw a v e l i k e m o r p h o l o g y t h ee f f e c to fs t r a i na m p l i t u d eo nc r y s t a l l i n i t ya n dc r o s s l i n kd e n s i t yo fr u b b e r w e r ei n v e s t i g a t e db yf o u r i e rt r a n s f o r mi n f r a r e ds p e c t r o s c o p y ( f t i r ) a n ds w e l l i n g b a l a n c em e t h o d s i ts h o w st h a tw i t ht h ei n c r e a s eo fs t r a i na m p l i t u d e ，a b s o r b a n c er a t i o a n dc r o s s l i n kd e n s i t yo fm a t e r i a lbi n c r e a s eu n d e ru n i a x i a la n dm u l t i a x i a ll o a d i n g ， t h i si m p l i e sc r y s t a l l i n i t yo fr u b b e ra l s oi n c r e a s e sw i t ht h ei n c r e a s eo fs t r a i na m p l i t u d e h o w e v e rt h et r e n do fa g g r a n d i z e m e n to fc r y s t a l l i n i t yb a n d sb e c o m e sw e a k e ra n d c r o s s l i n kd e n s i t yi sal a r g e ru n d e rm u l t i a x i a ll o a d i n gc o m p a r e dw i t hu n i a x i a ll o a d i n g p r e s e n tf a t i g u el i f ep r e d i c t i o na p p r o a c h e sw e r ee v a l u a t e df o rr u b b e rm a t e r i a l i t i ss h o w nt h a te q u i v a l e n ts t r a i na p p r o a c hg i v eag o o dp r e d i c t i o nf o rt h ef a t i g u el i f eo f t w of o r m u l a t i o nf i l l e dv u l c a n i z e dn a t u r a lr u b b e r sa l t h o u g hi th a sal o to fs h o r t c o m i n g s c o m p a r e dw i t hs t r a i ne n e r g yd e n s i t y ( s e d ) m o d e l ，t h ec r a c k i n ge n e r g yd e n s i t y ( c e d ) m o d e lr e p r e s e n t st h ep o r t i o no fs t r a i ne n e r g yd e n s i t yt h a ti sa v a i l a b l et ob e r e l e a s e db yv i r t u eo fc r a c kg r o w t ho nag i v e nm a t e r i a lp l a n e ，s oi tp r e s e n t sb e t t e r r e s u l t si nl i f ep r e d i c t i o no ft w of o r m u l a t i o n sf i l l e dv u l c a n i z e dn a t u r a lr u b b e r s s o m e o fa p p r o a c h e sb a s e do nc r i t i c a lp l a n ew h i c ha r ew i d e l yu s e df o rm e t a lf a t i g u ea r ea l s o b et e s t i f i e di nt h i sp a p e r , a n dt h er e s u l t ss h o wt h a tc h e n - x u - h u a n g ( c x h ) m o d e lc a n g i v eag o o dr e s u l ti nt w of o r m u l a t i o nf i l l e dv u l c a n i z e dn a t u r a lr u b b e r s w a n g - - b r o w n m o d e la n ds m i t h w a t s o n - t o p p e r ( s w t ) m o d e lp r e s e n tg o o dp r e d i c t i o no ft h ef a t i g u e l i f ef o rm a t e r i a lb ，b u tg i v ep o o rp r e d i c t e dr e s u l t sf o rm a t e r i a la an e wm o d e l w h i c h c o n s i d e r e dt h ee f f e c to fn o n p r o p o r t i o n a la d d i t i o n a ls o f t e n i n go nf a t i g u el i f eh a sa l s o b e e ni n t r o d u c e d ，a n di ts h o w st h a tt h em o d i f i e dm o d e lc a np r e d i c tt h ef a t i g u el i f eo f t w of o r m u l a t i o n sf i l l e dv u l c a n i z e dn a t u r a lr u b b e r sv e r yw e l l k e yw o r d s ：v u l c a n i z e dn a t e r i a lr u b b e r , m u l t i a x i a lf a t i g u e ，m u l t i a x i a lr a t c h e t i n g ， n o n p r o p o r t i o n a ll o a d i n g ，c r o s s l i n kd e n s i t y , f a t i g u el i f ep r e d i c t i o n 天津大学博士学位论文 橡胶材料多轴疲劳寿命及微观结构研究 么 6 c c i o ，c 2 0 ，c 3 0 = c d e e e f g h 8 h 0 k m m c n l 尺 尺 r s 2 s s r t t a n6 ( t a n k ) 。 ( t a n k ) 。 主要符号说明 试样中截面面积，m m 2 配方中填充物的质量分数，无因次 g r e e n 变形张量，无因次 y e o h 模型参数，无因次 真实c a u c h g r e e n 变形张量，无因次 损伤模型材料常数，无因次 弹性模量或储能模量，m p a 粘性模量或损耗模量，m p a g r e e n - l a g r a n g e 应变张量，无因次 变形梯度，无因次 剪切模量，m p a 标距段，m m h e a v i s i d e 函数 损伤模型材料常数，无因次 扭矩，k n m 交联网链的数均分子量，无因次 疲劳寿命，c y c l e 试样半径，m m 气体常数，无因次 原始变形中特定材料平面法向向量，m m 第一p i r l a k i r c h h o f f 应力张量，m p a 第二p i l o a k i r c h h o f f 应力张量，m p a 损伤模型材料常数，无因次 热力学温度，k 玻璃化转变温度， 损耗角的正切，无因次 聚合物损耗角正切峰值，无因次 纯基体损耗角正切峰值，无因次 填充剂体积分数，无因次 天津大学博士学位论文 橡胶材料多轴疲劳寿命及微观结构研究 、) s 砟 睨 畈 w _ 1 3 s w s w s e d 口 9 。，8 ：，9 3 蚤 6 6 g 毛 艿三。 占， 舌， 厂 7 l a 兄 丸 l ，, u 2 ，, u 3 ，口1 ，口2 ，口3 i ， 秒 p pr ps c r o e q 矛 盯，“ 溶剂的摩尔体积，c m 3 m o l 溶胀试样中硫化胶的体积分数，无因次 裂变能，m p a 溶胀试样干燥后的质量，g 滞环能，m p a 应变能密度最小值，m p a 试样起始质量，g 试样溶胀后的质量，g 应变能密度，m p a 表征界面粘结的参数，无因次 材料常数，无因次 轴向位移，m m 试件厚度，m m 损耗角，度 应变，无因次 最大工程主应变，无因次 真实轴向应变，无因次 棘轮应变，无因次 棘轮应变率，1 s 交联密度，m o l c m 3 八面体剪应变，无因次 伸长比，无因次 聚合物和溶剂的相互作用参数，无因次 最大主应变幅值，无因次 o g d e n 模型参数，无因次 泊松比，无因次 扭向位移，度 橡胶密度，k g m 3 橡胶密度，k g m 3 溶剂密度，k g m 3 应力，m p a 等效应力，m p a 平均应力，m p a 最大主拉应变平面上的最大拉应力，m p a 1 1 4 天津大学博士学位论文橡胶材料多轴疲劳寿命及微观结构研究 f m n a s p a z i a 仃 a t r l a r l 最大主应力平面上经历的最大剪应力，m p a 最大主拉应变幅值，无因次 最大主拉应变面上的剪应变变程，无因次 八面体剪应变幅值，无因次 c a u c h 应力幅值，m p a 最大主拉应变面上的正应力变程，m p a 最大主拉应变面上的剪应力变程，m p a 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得丕盗盘鲎或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：f 夭耗驽签字同期： r 年月呷日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤聋盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权丕鲞盘鲎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据鹰进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。f 意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权晚明) 学位论文作者签名： 签字f 期：硎f 年 k 地噜 1 y 月l ir l 新虢下抛 签字闩期：杪脚沙月叫r 天津大学博士学位论文橡胶材料多轴疲劳寿命及微观结构研究 第一章文献综述 多轴疲劳是指疲劳损伤发生在多轴循环加载条件下，至少有两个或三个应力 或应变分量独立地随时间发生周期性变化，它们的变化可以是同相位! 按比例的， 也可以是非同相位、非比例的。 橡胶材料因其独特的高弹性和优良的疲劳强度及电绝缘等性能已成为国民 经济中其它材料难以代替的高分子材料。橡胶制品通常是在周期性复杂应力状态 下使用的，橡胶的疲劳断裂性能取决于它的粘弹性以及裂口的引发和扩展，而裂 口的引发和扩展则直接影响橡胶制品的使用寿命。为了保证橡胶制品使用时的安 全性和可靠性，研究橡胶材料的多轴疲劳特性具有重要的意义l 嵋3 j 。另外，以往 主要是研究橡胶材料的单轴宏观疲劳性能、裂纹增长特性和疲劳破坏特征，并没 有从疲劳的本质出发对疲劳现象进行恰如其分的描述。深入研究橡胶材料在疲劳 过程中的宏观性能及其破坏机理的关系，对于其结构抗疲劳设计及疲劳寿命预报 模型的建立也是极其重要的。 1 1 橡胶材料 橡胶作为高分子三大合成材料之一，用途十分广泛，不仅能满足人们的日常 生活、医疗卫生和文体生活等各方面的需要，还能满足工农业生产、交通运输、 电子通讯和航空航天等各个领域的技术要求，是现代国民经济与科技领域中不可 缺少的高分子材料。如同其他高分子材料，橡胶通过聚合产生长链的高分子，这 些高分子可以组成无定形态、玻璃态或结晶态。橡胶是无定形态，其分子的形态 是随机卷曲的。在工程应用中绝大多数天然橡胶和合成橡胶都要填充一定的炭黑 等各种填料来改善它们的强度、硬度、加工性能等特性，这些填料和橡胶长链分 子之间通过物理化学作用形成网络从而增强橡胶性能1 4 j 。 天然橡胶附r ) 本质上是一种烃类。法拉第( f a r a d a y ) 于1 8 2 6 年确定其化学 组成可用分子式( c 5 h 8 ) n 表示。在化学上橡胶烃是一种异戊二烯的聚合物，其 玻璃化转变温度( t g ) 为- - 7 3 ，常温下为高弹态。 天然橡胶的基本性能有1 5 , 6 ： 1 、热性能：天然橡胶无一定的熔点，加热后慢慢软化，到1 3 0 ( 2 - , 1 4 0 。c 时 则完全软化到熔融状态，至2 0 0 c 左右时开始分解。在常温下稍带塑性，温度降 第一章文献综述 低则逐渐变硬，低至0 。c 时弹性大大减少；继续冷却到一7 0 则变成脆性物质。 2 、弹性：天然橡胶有良好的弹性，弹性模量为3 - - - - 6 m p a ，弹性伸长率最大 可达1 0 0 0 ，在3 5 0 范围内伸缩时其回弹性达8 5 ；回弹率在o 1 0 0 范围 内可达7 0 - 8 0 以上，在达到1 3 0 时仍能保持正常的使用性能。 3 、强度：天然橡胶是结晶性橡胶，自补强性很大，具有非常好的机械强度。 经过硫化处理后能显著提高它的强度。同时它的耐屈挠性也非常好。 4 、化学性质：天然橡胶中含有不饱和双键，为不饱和性橡胶，化学活性较 高，能够进行加成、取代、环化和裂解等反应，可制成硫化橡胶及其他橡胶衍生 物。硫化反应速度快，但也容易发生老化。 此外，天然橡胶还是非极性的，易与烃类油及溶剂作用，只能耐一些极性溶 剂，而在非极性溶剂中则膨胀。有较好的耐碱性能，但不耐浓强酸。是良好的电 绝缘体。 美国科学家于1 8 3 9 年发明了天然橡胶硫磺硫化法，至此橡胶作为弹性材料 的应用已有1 5 0 多年的历史。其在工程各个领域，都发挥着极大的作用，例如轮 胎，减振器，密封，结构支撑，缓冲器，医学设备等。这些应用中橡胶都长时间 承受各种复杂应变的作用。因此橡胶制品长期使用的安全性和可靠性显得尤为重 要。天然橡胶的加工工艺复杂，包括硫化、补强、混炼等等。这些因素都对橡胶 的力学性能，包括疲劳性能有着至关重要的影响。 1 2 橡胶疲劳破坏分析方法 橡胶材料的疲劳研究，最早可以追溯到上世纪4 0 年代c a d w e l l l 7 j 等人对天然 橡胶( n r ) 的研究。其后，b l l e e 8 1 、s u n 9 1 、m de l l u l t l 0 j 等针对载荷谷值、加 载方式、加载频率等对轮胎橡胶疲劳性能的影响进行了大量的实验研究。但是， 多年以来，这方面工作主要是针对单轴疲劳展开。只是到了本世纪初，才有学者 【l l ，1 2 】对多轴循环状态下橡胶材料疲劳开展研究。因此无论从理论上、还是实验上， 橡胶材料多轴疲劳寿命研究均处于一种起步状态。橡胶制品通常是在复杂应力状 态下使用的，因此建立相关的预测疲劳寿命的模型是非常重要的。通常，橡胶的 疲劳寿命预测有两种主要方法：裂纹萌生方法和裂纹扩展方法。其中裂纹扩展方 法应用较多。尽管裂纹萌生理论相对简单和熟悉，但是被关注的程度很低。 1 2 1 裂纹萌生方法 此方法是基于连续介质力学理论，在给定某些量( 如应力和应变) 的时间历 程下，预测晶核形成寿命。该方法能够运用大家所熟知的应力应变公式来表述。 天津大学博士学位论文橡胶材料多轴疲劳寿命及微观结构研究 疲劳萌生寿命可被定义为某种尺寸疲劳裂纹出现时对应的循环次数。早期研究是 a u g u s tw o h j e r 关于铁道轴的研究( 18 6 0 ) 1 1 3 并一直延用至今。在橡胶研究领域， 该方法在l9 世纪4 0 年代被c a d w e l l 提出1 7 】。 在橡胶疲劳分析领域，该方法包含有两个重要参数：最大主应变和应变能密 度。此外，八面体剪切应变有时也被使用。应变通过变形直接界定，因此能够在 橡胶上方便地测量出来。而应力在橡胶疲劳寿命预测中则很少被采用，这主要是 因为橡胶的疲劳测试常与变形联系在一起，而橡胶上的应力测量则很难进行的缘 故。 当最终确定部件疲劳寿命的初始缺陷小于部件许用数值几个数量级或者需 要确定疲劳寿命的空间分布时，这种方法尤为适用。该方法的优点之处还表现在 采用该方法可以方便地考察多轴加载对疲劳的影响。目前，m a r s 和f a t e m i i t 4 以 及s a i n t i e re ta 1 1 1 2 】这几位橡胶多轴疲劳分析的先驱都是采用的裂纹成核方法进行 试验和分析。 1 2 2 裂纹扩展方法 此方法是基于断裂力学，在给定特定裂纹的初始几何形状和能量释放率历程 的条件下，预测特定裂纹的扩展。该方法只考虑已经存在的裂纹或者缺陷。这种 只考虑单个裂纹的理念由i n g l i s s i b j 和g r i f f i t h i j 提出。g r i f f i t h 提出一种基于能量 平衡的断裂准则，这种能量平衡包括断裂体的机械能量和与断裂表面相关的能 量。g r i f f i t h 的理论被t h o m a s 1 7 1 、g r e e n s m i t h t l 引、l a k ee ta 1 【1 9 】、l i n d l e y l 2 0 】等进 一步发展，并广泛应用于橡胶分析之中。最初，该理论只是用于预测橡胶的静态 刚度，1 9 5 8 年，t h o m a s l 2 l 】将其拓展用于分析天然橡胶在交变载荷下的裂纹扩展， 发现了未填充的n r 材料峰值能量释放率与裂纹生长之间存在有一种平方律关 系。而三年后，p a r i se ta 1 1 2 2 坝u 发现在金属材料中，这两种参数之间也存在幂率 关系。所以说，在橡胶断裂机理上的重要发现预示了金属材料上类似的发现。 橡胶材料裂纹扩展理论一直备受关注，尤其是在轮胎疲劳分析之中。而该方 法的难点在于必须知道造成结构最终失效的裂纹的初始位置和状态1 2 引。通常，这 种信息不容易得到。同时，裂纹的不同形状也需要考虑。而数值计算在日前仍然 是极度耗费人力和物力的。所以非常需要开发一种橡胶裂纹生长的通用计算算 法。 1 3 影响橡胶疲劳寿命的因素 由于橡胶材料工作环境比较复杂，故有多种因素影响其疲劳寿命。但一般可 第一章文献综述 以分为如下几种：加载因素、环境因素、橡胶配方以及橡胶本构行为等【2 4 】。通过 对这些影响因素的调查，有助于我们更好地了解橡胶本质，同时也利于我们定性 或定量地评估各种因素对橡胶疲劳寿命的影响程度。 1 3 1 加载因素 c a d w e l ie ta 1 1 7 在对n r 的研究中发现，增加最小应变有益于寿命的增加； b e a t t y 2 5 】对n r 胶料的研究结果也表明，最小应变增加时能量输入降低，从而样 品的疲劳寿命增加。f i e l d i n 9 1 2 6 j 采用与c a d w e l l ”相同的实验手法对两种合成橡胶 进行了研究。结果显示，最小应变对疲劳寿命的影响取决于橡胶类型，并由此推 测结晶效应是导致疲劳寿命改变的原因：对于结晶型橡胶，最小应变增加会导致 材料疲劳寿命的提升，而对于非结晶型橡胶，结论恰恰相反。但这种效果也不尽 然【2 0 1 。a b m h a me ta 1 1 27 】就针对非结晶类材料，以e p d m ( 三元乙丙橡胶) 及s b r ( 丁苯橡胶) 作为试验材料，同时又区分填充填料与不填充两种类型，结果说明 最小应变对寿命的影响可能是填料的作用。l e ee ta 1 1 2 8 等对轮胎橡胶疲劳性能 进行了大量的实验研究，认为橡胶材料的非线性是导致最小应变影响寿命的重要 因素。l i 和s t e i f 【2 9 】对橡胶进行了多轴动态疲劳试验，并以损耗模量与弹性模量 作为评判标准，对其在比例以及9 0 度非比例加载下的力学行为进行了研究。研 究结果表明橡胶材料在循环载荷下，应力响应表现出非线性特性，且主要受制于 应变幅值。 m a r s 和f a t e m i t 3 0 j 在对填充的硫化天然橡胶研究中发现，循环应力应变响应存 在明显的软化，软化的大小取决于经历的最大应变，最大应变越大，稳定响应的 软化越大。其次，峰值载荷对应瞬态力学行为，此时材料变形极为特殊，而幅值 与这种瞬态形变关系并非一一对应，通过研究材料瞬时变形有助于确定弹性体内 部裂纹的状态，同时峰值载荷的大小也决定了应变结晶是否发生 3 1 , 1 2 。 l i n d l e ye ta 1 1 3 2 j 最早将载荷比r 应用于n r 硫化胶中，他将疲劳裂纹扩展速率 作为r 的函数。r 的计算是基于能量释放率的演化过程，即r = t m i n 厂r m 双。b u s f i e l d e ta 1 1 3 3 】在纯剪切试件上研究了断裂力学方法预测裂纹扩展方向的适用性，发现在 r = 0 的条件下，该方法成功地预测了裂纹扩展方向。m a r s 和f a t e m i i 圳对橡胶材料 进行了应变比r o = 0 与r 疗= 一1 加载情况下的疲劳试验，结果显示对应相同的扭 转峰值，r 占= 一l 加载下的试样寿命比r 一= 0 加载下的试样寿命约小7 4 倍；而对 应相同的扭转幅值，r 。= 0 加载下的试样寿命比r 。= 一l 加载下的试样寿命约小 7 8 倍；同时对于非填充型橡胶，在r 一= 0 加载下试样会产生一定量的残余应变， 而r 口= 一l 加载条件下不会产生。 m a r s 和f a t e m i 【3 0 】发现，对于填充型天然硫化橡胶，先期较大的载荷会导致橡 4 天津大学博士学位论文 橡胶材料多轴疲劳寿命及微观结构研究 胶内部网络的断裂与重组，并对后续低载荷下的应力响应产生抑制作用。但是， 这种效果反映到疲劳寿命上却不尽然。研究发现，对于轴向加载大的初始过载可 以延长疲劳寿命，而较低值的过载反而使疲劳寿命大幅降低。同样，在扭转加载 下，较低值的过载对应疲劳寿命最低，但初期无过载历史的试样对应的疲劳寿命 却最大。s u nc ta 1 3 5 1 对轮胎橡胶的研究之中观察到，逐步上升的加载方式相比于 逐步下降的加载方式，对应材料的抗拉强度会下降许多。这种变化被认为与应力 软化效应，即m u l l i n s 效应相关。 实际结构中，橡胶构件承受的应力场是很复杂的，故仅仅采用单轴疲劳试验 来预测其寿命是远远不够的。尽管许多学者早就意识到该点，且在金属多轴疲劳 领域已经取得了不俗的成绩，但是由于橡胶类材料大变形、粘弹性等特性，使得 橡胶多轴疲劳分析工作开展地相对较晚，从某种意义上讲，一直到近期，才有学 者对此开展了相关的研刭2 ，州。m a r s 和f a t e m i 3 4 】是橡胶多轴疲劳领域的开拓者， 他们对填充型天然硫化橡胶进行了一系列比例、非比例路径加载下的疲劳试验。 研究结果显示，无论是单轴还是多轴疲劳，橡胶裂纹都在某一特定平面成核与扩 展，s a i n t i c rc ta 1 1 1 2 】在随后的调查中，发现橡胶失效平面由最大主应力方向决定， 且在大变形下材料平面与主应力面会发生旋转。 在金属疲劳领域已经达成一种共识：对应相同的等效应变，多轴非比例加载 路径下的疲劳寿命远远低于比例加载寿命。余伟炜等 3 6 1 在对丁腈橡胶的多轴循环 特性研究中也发现，对应相同的等效应变，丁腈橡胶多轴非比例加载路径下的疲 劳寿命远远低于比例加载寿命。遗憾的是，在对硫化天然橡胶的研究中，m a r sc t a l 1 】的一系列路径下，其等效应变并不一致，因此还难以确定硫化天然橡胶非比 例路径对疲劳寿命的真正影响。但是m a r sc ta 1 在一定程度上揭示了非比例路径 下的影响，其余的还有待深入研究。 加载频率的影响取决于聚合物类型：对于应变结晶型橡胶材料，加载频率在 1 0 七5 h z 内变化不会改变其疲劳寿命大小；而对于无定形橡胶，加载频率对疲 劳寿命的影响比较显著1 1 0 】。有学者对轮胎橡胶在脉冲波形加载下与正弦波形加载 下的疲劳结果进行了分析，比较发现加载波形对橡胶材料，特别是无定形聚合物 的疲劳行为也有所影响【3 7 1 ，当然这种影响某种程度上受制于聚合物的类型及其结 构成分，其差异性可能是由于不同加载波形下加载率的差别导致。刘宇燕等 3 8 , 3 9 1 在对橡胶复合材料的疲劳试验中也观察到频率对疲劳结果的影响具有选择性，这 种影响被认为与橡胶的粘弹特性相关。而且，当加载频率提高的同时，会产生生 热现象。由于橡胶内部的能量损耗速度大于与环境的热交换，导致橡胶内部不断 升温，从而引发橡胶老化、降解等伴随效应，进而影响了橡胶的抗疲劳性能。因 此，对于加载频率的影响在疲劳试验中必须给予重视。现有的文献报道中，往往 第一章文献综述 采用低频加载试验方式【1 捌，频率一般不高于4 h z ，目的就是避免生热效应对橡胶 抗疲劳性能的影响。 1 3 2 环境影响 橡胶制品并非单纯在静态或动态条件下使用，