橡胶材料多轴疲劳寿命及微观结构研究

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Mullins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Mullins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（SEM）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（SED）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（CED）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：Chen-Xu-Huang模型，在两种材料中均有较好的的预测结果；而Wang-Brown模型和SWT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。

目录

文摘

英文文摘

论文说明：主要符号说明

声明

第一章文献综述

1.1橡胶材料

1.2橡胶疲劳破坏分析方法

1.2.1裂纹萌生方法

1.2.2裂纹扩展方法

1.3影响橡胶疲劳寿命的因素

1.3.1加载因素

1.3.2环境影响

1.3.3橡胶配方

1.3.4本构行为

1.4橡胶疲劳微观结构研究

1.4.1扫描电子显微镜研究

1.4.2应变结晶研究

1.4.3交联密度测定

1.4.4其他

1.5橡胶多轴疲劳寿命估算方法

1.5.1等效应变法

1.5.2能量法

1.5.3等效应力法

1.6本文的工作及研究意义

第二章 硫化天然橡胶动态力学性能分析

2.1试验

2.1.1材料与试样

2.1.2实验设备

2.1.3试验内容

2.2实验结果和理论分析

2.2.1静态拉伸试验

2.2.2橡胶的模量温度特性

2.2.3蠕变

2.2.4应力松弛试验

2.3本章小结

第三章硫化天然橡胶的疲劳试验与循环特性分析

3.1试验

3.1.1材料和试样

3.1.2实验设备

3.1.3试验内容

3.2有限变形场下的应力-应变分析

3.3 FEA辅助分析设计

3.3.1 FEA分析流程

3.3.2橡胶材料本构模型

3.3.3橡胶单调拉伸行为研究

3.4疲劳试验结果分析

3.4.1疲劳破坏定义

3.4.2单轴循环特性

3.4.3多轴循环特性

3.4.4比例与非比例路径循环特性比较

3.4.5疲劳寿命比较

3.4.6湿热老化的硫化天然橡胶与未湿热老化的材料循环特性比较

3.5本章小结

第四章硫化天然橡胶多轴棘轮特性

4.1试验

4.2结果与讨论

4.2.1棘轮应变定义

4.2.2轴向应力和剪应变的影响

4.2.3加载历史的影响

4.2.4应变率的影响

4.2.5蠕变的影响

4.3本章小结

第五章硫化天然橡胶微观机理研究

5.1断面扫描电镜研究

5.1.1试验

5.1.2实验结果和理论分析

5.2硫化天然橡胶疲劳应变结晶性能研究

5.2.1试验

5.2.2结果与分析

5.3硫化天然橡胶交联密度测试研究

5.3.1交联密度测定

5.3.2结果与分析

5.4本章小结

第六章橡胶多轴疲劳寿命分析和预测

6.1等效应变寿命估算法

6.1.1最大主应变法

6.1.2八面体剪应变

6.2能量寿命估算法

6.2.1 SED模型

6.2.2 CED模型

6.3应力寿命估算法

6.4临界面寿命估算法

6.4.1 SWT模型

6.4.2 Wang-Brown模型

6.4.3 CXH模型

6.4.4新的考虑非比例附加软化的模型

6.5本章小结

第七章结论

7.1本文的主要研究工作及结论

7.2本论文的创新点

7.3进一步研究工作的展望

参考文献

发表论文和科研情况说明

附录

致 谢