關于橡膠元件幾種典型失效形式的探討 黃友劍、張亞新、郭紅鋒、劉建勛 株洲時代新材料科技股份有限公司，株洲，412007 摘要：橡膠元件已廣泛應用于減振降噪、攤鋪壓路及密封等工程領域。根據橡膠元件的使用功能及失效特點，本文較詳細介紹了橡膠元件的兩種失效形式：功能性失效和破壞性失效，以及這兩種失效形式對產品使用性能的影響。 關鍵詞：橡膠元件，功能性失效，破壞性失效，穩定性 前言： 橡膠材料由于其高彈性和可硫化性，可設計成適應裝配及使用工況所需要的產品結構，因而被廣泛應用于包括航空航天、機械工程、鐵路建筑、攤鋪壓路等領域。為適應使用工況及滿足設計目標，開發的各種橡膠元件，其失效形式也因此表現為不同的形態，主要有以功能性為特征的松弛蠕變失效、剛度失效、穩定性失效模式，以及破壞性為特征的疲勞失效、極限失效、粘結失效模式。 1 功能性失效 1.1 應力松弛及蠕變失效 應力松弛是指在應變恒定的條件下，隨時間的延長應力下降的現象 [1] （見圖1）。高分子材料發生應力松弛是由于分子間相互流動的結果，而蠕變是指在恒定的應力作用下材料的應變隨時間增加而逐漸增大的現象。蠕變和應力松弛均屬于靜態力學黏彈性過程，本質相同，表現形式不同。 當橡膠元件在高度壓縮的狀態下，壓力會隨時間而減少，當元件壓力小于設計壓力時，橡膠元件將會喪失其密封效果而失效。表現出這種應力松弛及蠕變失效形態的典型橡膠元件為各類密封件和大承載的橡膠減震元件。對于大承載的剪切型橡膠減震元件，多表現為大位移、大撓度的承載特性，在承載的過程中，這種不斷增加的蠕變會使結構在承載過程中的設計高度無法得到保證而失效；而結構承受載荷越大，結構的抗蠕變性能則越差，蠕變效益會越明顯，蠕變量會越大（見圖2）。 圖1 材料的應力松弛 圖2 橡膠元件的蠕變特性 為確保結構在承受載荷的過程中，不因蠕變或應力松弛而導致元件發生功能性失效，應以改善橡膠結構的蠕變性能為目標，在配方設計中適當增加以提高橡膠彈性和抗耐老化性能為特征的膠料組分。因此優化橡膠組份如石墨、抗氧化穩定劑的混合比， 可使橡膠元件的高度保持穩定，確保所開發的橡膠彈簧可保證良好的動靜特性。 1.2 剛度失效 對于橡膠減震元件，動、靜剛度是橡膠設計的重要指標，也是結構在使用過程中確保系統具有良好動力學性能的關鍵參數。因此橡膠減震元件（見圖3）在使用過程中，橡膠元件的動靜剛度應保持在一個較為恒定及穩定的水平。當橡膠元件因剛度發生變化，從而造成系統因橡膠剛度無法滿足設計要求而使動力學性能無法滿足，這就是橡膠元件的剛度失效。 圖3 典型橡膠元件 站在結構的角度，所有的隔振元件都有動靜剛度的要求，在以載荷作用為主、環境影響為輔的工況下，長期使用的過程中，剛度會越來越小；而在以環境影響為主、載荷作用為輔的工況下，長期使用的過程中，剛度會越來越大（見圖4）。大量的工程實踐表明，當剛度變化超過20％，則說明元件已經喪失繼續承載的能力，元件已經發生了剛度失效。 圖4 剛度失效 橡膠元件發生剛度失效，這是因為在正常的使用環境中，往往會應橡膠老化或疲勞過程中分子鏈降解而使其剛度發生變化，為避免橡膠元件發生剛度失效，應優化設計產品結構，改良橡膠配方，提高材料的抗老化性能，確保橡膠元件在使用期限內具有穩定的剛度水平。 1.3 穩定性失效 任何系統能夠正常工作，必須滿足穩定性要求。從設計的角度來講，應對結構的穩定性進行定量的表征，以判定結構是否失穩。對于橡膠元件來說，當結構在承載過程中，位移不再隨載荷的增加而增加，而是出現位移增加但載荷減少的不正常現象，這就是橡膠元件的結構失穩 [2] （見圖 5）。 圖5 失穩下的載荷位移特征曲線 與其它功能性失效形式不同，穩定性失效時結構本身沒有出現變化，橡膠材料沒有出現降解或交聯等分子鏈重組問題，它只是在特定的載荷位移下失去承載功能，但失穩是偶然性的，事發前沒有征兆，結構沒有出現破壞，因此確保結構在任意承載過程中滿足穩定性要求是產品設計必須考慮的關鍵問題。 為確保結構在使用過程中，不會出現失穩，在設計過程中應采取有效措施進行預防，包括采用有限元分析技術對橡膠元件在極限載荷下的承載特性進行預測，并通過實驗手段進行穩定性校核驗證，以確保彈性元件在使用過程中是 穩定的。 圖6 橡膠元件失效狀態 2 破壞性失效 2.1 疲勞失效 疲勞破壞是橡膠元件破壞的最主要形式，所謂疲勞是指橡膠制品在動態拉伸、壓縮、扭曲和剪切作用下，膠料的物理性能和結構發生變化的現象。疲勞破壞就是橡膠制品在動態應力或應變作用下隨著疲勞過程的進行導致材料破壞的現象 [3] ，而這種破壞行為是橡膠元件在長期使用過程中，最初在應力或應變較高的局部開始，形成損傷裂紋并逐漸擴展，達到臨界尺寸并最終導致破壞（見圖5）。因此，與其它失效形式相比，局部性是疲勞失效的最重要特征。 圖5 橡膠疲勞失效 橡膠元件出現疲勞失效，其表征形式為橡膠局部表面出現裂紋、開膠、龜裂、褶皺等非正常的破壞現象，同時其承載特性往往伴隨著膠料硬度、剛度等特征一起發生變化，當剛度變化達到結構無法承受時橡膠元件則因最終失去承載能力而失效。 為提高橡膠元件的疲勞性能，一方面要求設計時必須對結構進行優化，使產品承載最大程度表現為等應變狀態，同時還應該根據使用環境，優化工藝配方，選擇合適的膠種及硫化方式，使橡膠元件因此能獲得一個較好的疲勞壽命。 2．2 極限載荷失效 靜態或動態極限載荷下的破壞，取決于橡膠元件的整體結構。與疲勞失效的局部性特征不同，極限載荷失效的最大特點為結構的整體性，從承載的時間周期上講，橡膠元件是在一次性載荷的作用下，即發生撕裂等破壞(見圖6)。 圖6 極限載荷失效 從工程的角度來講，橡膠元件是不允許因極限載荷而失效的，但從設計及開發的角度上來講，通過一些極限載荷失效實驗，可以對結構的承載能力及可能的疲勞特性進行一個評估和把握，因而是目前產品設計開發過程中一個很常用的實驗方法。 2.3 粘結失效 對橡膠與金屬復合的橡膠制品來說，金屬與橡膠表面間的粘合問題是產品生產中的一個重要問題。在選用合適的金屬與橡膠粘結的膠粘劑及確保嚴格的粘結工藝的前提下，橡膠與金屬的粘結強度可以達到 7Mpa 以上，而橡膠與金屬表面間的這種粘 結強度已經高于橡膠強度本身，因此，當產品進行極限破壞實驗（附膠率實驗）時，實驗破壞的位置發生在橡膠本身部位，而不會發生在橡膠與金屬表面結合處。 圖7 橡膠與金屬處剝裂 但當膠粘劑選擇不合理，或者粘結工藝無法達到設計要求，生產出來的產品進行附膠率實驗或實際應用過程中，則會在橡膠和金屬表面出現剝裂性破壞（見圖 7），因此為確保這種粘結特性，選擇的膠粘劑應不僅能承受高負荷、大變形，還必須具有優良的耐腐蝕性。即便如此，橡膠制品在使用過程中，還是應注意防油、防腐蝕性介質浸入橡膠制品。 3 結論 根據使用要求，橡膠材料可以制造成不同用途的橡膠元件，在減震降噪、密封、承載等領域發揮重要的作用，同時，也應該根據產品形態及承載特點，在產品研制過程中，對橡膠元件的失效形式進行分析、研究及實驗測試，以使開發的產品能夠滿足使用要求。

標簽：橡膠破壞方式