橡胶疲劳失效机理的研究

任欣

摘要：橡胶作为一种弹性高、造价低廉的材料，在各个行业都被广泛运用，尤其是在工业制造和国防事业中。在的实际使用过程中，橡胶制品（如橡胶减震器、橡胶手套、橡胶密封圈等），通常在周期性作业下超负荷工作，此时如果橡胶出现了疲劳、断裂的现象，就会损坏机械、导致事故和重大经济损失的发生。由此可见，在橡胶产品开发初期探究分析橡胶密封圈的失效成因，改进橡胶制品的生产流程，保证橡胶材料的质量和使用寿命是保障产品质量、提升企业生产利润的重要前提。

关键词：橡胶疲劳;耐久性;裂纹拓展;裂纹萌生

提高橡胶材料的使用寿命对保证橡胶制品的耐久性有重要的意义。本文旨在从研究橡胶的疲劳寿命的方法、影响橡胶疲劳的要素、橡胶疲劳实验结果探究等方面探究橡胶材料与橡胶制品疲劳之间的关系，希望能够为生产橡胶的企业提供具有现实意义的改进策略，促进橡胶产业的发展。

1 橡胶动态疲劳的研究方法

橡胶制品的断裂过程主要分为两个步骤：（1）从完整到微小裂纹形成的阶段（如图1的A区域），断面上未见到明显的材料缺陷。（2）从小裂纹到裂纹延展直至断裂的阶段（如图1的B区域）。探究橡胶材料的疲劳寿命也应当从这两个阶段展开，针对前者的分析方法被稱为裂纹萌生法，后者则被称为裂纹拓展法。在实际研究中，这两种阶段的分界点往往比较模糊，在一般情况下，计算橡胶疲劳寿命、当橡胶制品产生明显磨痕、缺口或结构性断裂时运用裂纹拓展法。裂纹萌生法则运用于橡胶无明显缺口或有细小磨损的情况。

图1 橡胶的不同断裂情况

2 影响橡胶动态疲劳寿命的因素

2.1交联网络

橡胶的交联网络能够在一定程度上影响橡胶的性能和疲劳状况，硫化反应对橡胶疲劳寿命有重要影响，硫化机和硫化反应可以提高橡胶的耐疲劳性，延长橡胶的使用寿命。橡胶制品生产商应该注意使用适配橡胶材料的硫化剂，这同样能够影响橡胶的老化速率。

2.2应力-应变条件

由于橡胶在使用过程中受外界载荷的作用，因而橡胶对于应力-应变的敏感度很高，其中应力和应变幅度是最重要的因素。研究显示，最小应变与载荷比R与橡胶寿命成正比，当R的值较大时，裂纹尖端会产生钝化效应，而钝化效应引起的结晶将会阻碍裂纹的增长。

2.3环境条件

环境是橡胶疲劳分析中的关键要素，尤其是在橡胶高密度作业的情况下，温度、压力以及不同浓度的化学反应物含量会直接影响橡胶材料的力学行为和疲劳状况。

以温度这一关键影响因素为例，不同种类的橡胶材料对温度的敏感性不同，将试验温度从0度升高到110度时，天然橡胶的疲劳寿命缩短了4倍，而丁苯橡胶缩短了一万倍之多。

不同的大气环境对橡胶疲劳同样有着举足轻重的影响，比如橡胶接触到的氧气、臭氧氮气的含量，在其他变量相同的情况下，惰性气体如氮气会使橡胶寿命增长，而臭氧以及氧气会使疲劳裂纹增长速率变高。

3橡胶疲劳理论的应用

在实际开发橡胶制品的过程中，开发人员需要针对影响橡胶动态疲劳寿命的因素，改进橡胶制品的设计方案，其基本流程为：（1）依照橡胶元件的属性和功能要求对其进行结构性设计，通过程序模拟真实的工作情况对橡胶元件的结构进行综合分析。（2）根据疲劳实验的数据材料，建立符合工况的疲劳寿命预期模型，将橡胶元件的基本数据与疲劳寿命试验数据输入预测模型进行分析，再通过实验数据与模型数据的比对，进行可靠性分析。（3）在分析前需要对橡胶疲劳失效制定一系列的标准，如分析结果符合准则的标准，则说明设计满足橡胶制品工作需要的标准，反之，当测算结果无法与标准相符时，开发人员需要对橡胶元件进行重构和重新计算，使之最终满足疲劳设计的标准，在实际开发产品时，对产品进行检验也是必要的，对产品进行疲劳寿命试验，能够保证产品的使用寿命和品控。

4结语

橡胶作为一种有重要意义的弹性材料已经有一百多年的应用历史，在国防建设与经济建设中起到了不可替代的作用。橡胶不仅仅是生活中不可或缺的材料，同样也是高新机械生产与发展的重要性材料，故保障橡胶的品质和使用寿命有着十分重要的现实意义。

本文着重探讨了影响橡胶疲劳寿命的常见因素、研究方法以及橡胶疲劳理论的运用，为橡胶产品设计改良提供参考。在实际生产中，橡胶制品疲劳的成因往往不是单方面的，厂商应当结合理论和实际情况进行综合分析，从而找出确切原因，制定应急预案与改进措施，从而保证橡胶制品品质，提高企业产投比和经济效益。

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