关于橡胶元件几种典型失效形式的探讨 黄友剑、张亚新、郭红锋、刘建勋 株洲时代新材料科技股份有限公司，株洲，412007 摘要：橡胶元件已广泛应用于减振降噪、摊铺压路及密封等工程领域。根据橡胶元件的使用功能及失效特点，本文较详细介绍了橡胶元件的两种失效形式：功能性失效和破坏性失效，以及这两种失效形式对产品使用性能的影响。 关键词：橡胶元件，功能性失效，破坏性失效，稳定性 前言： 橡胶材料由于其高弹性和可硫化性，可设计成适应装配及使用工况所需要的产品结构，因而被广泛应用于包括航空航天、机械工程、铁路建筑、摊铺压路等领域。为适应使用工况及满足设计目标，开发的各种橡胶元件，其失效形式也因此表现为不同的形态，主要有以功能性为特征的松弛蠕变失效、刚度失效、稳定性失效模式，以及破坏性为特征的疲劳失效、极限失效、粘结失效模式。 1 功能性失效 1.1 应力松弛及蠕变失效 应力松弛是指在应变恒定的条件下，随时间的延长应力下降的现象 [1] （见图1）。高分子材料发生应力松弛是由于分子间相互流动的结果，而蠕变是指在恒定的应力作用下材料的应变随时间增加而逐渐增大的现象。蠕变和应力松弛均属于静态力学黏弹性过程，本质相同，表现形式不同。 当橡胶元件在高度压缩的状态下，压力会随时间而减少，当元件压力小于设计压力时，橡胶元件将会丧失其密封效果而失效。表现出这种应力松弛及蠕变失效形态的典型橡胶元件为各类密封件和大承载的橡胶减震元件。对于大承载的剪切型橡胶减震元件，多表现为大位移、大挠度的承载特性，在承载的过程中，这种不断增加的蠕变会使结构在承载过程中的设计高度无法得到保证而失效；而结构承受载荷越大，结构的抗蠕变性能则越差，蠕变效益会越明显，蠕变量会越大（见图2）。 图1 材料的应力松弛 图2 橡胶元件的蠕变特性 为确保结构在承受载荷的过程中，不因蠕变或应力松弛而导致元件发生功能性失效，应以改善橡胶结构的蠕变性能为目标，在配方设计中适当增加以提高橡胶弹性和抗耐老化性能为特征的胶料组分。因此优化橡胶组份如石墨、抗氧化稳定剂的混合比， 可使橡胶元件的高度保持稳定，确保所开发的橡胶弹簧可保证良好的动静特性。 1.2 刚度失效 对于橡胶减震元件，动、静刚度是橡胶设计的重要指标，也是结构在使用过程中确保系统具有良好动力学性能的关键参数。因此橡胶减震元件（见图3）在使用过程中，橡胶元件的动静刚度应保持在一个较为恒定及稳定的水平。当橡胶元件因刚度发生变化，从而造成系统因橡胶刚度无法满足设计要求而使动力学性能无法满足，这就是橡胶元件的刚度失效。 图3 典型橡胶元件 站在结构的角度，所有的隔振元件都有动静刚度的要求，在以载荷作用为主、环境影响为辅的工况下，长期使用的过程中，刚度会越来越小；而在以环境影响为主、载荷作用为辅的工况下，长期使用的过程中，刚度会越来越大（见图4）。大量的工程实践表明，当刚度变化超过20％，则说明元件已经丧失继续承载的能力，元件已经发生了刚度失效。 图4 刚度失效 橡胶元件发生刚度失效，这是因为在正常的使用环境中，往往会应橡胶老化或疲劳过程中分子链降解而使其刚度发生变化，为避免橡胶元件发生刚度失效，应优化设计产品结构，改良橡胶配方，提高材料的抗老化性能，确保橡胶元件在使用期限内具有稳定的刚度水平。 1.3 稳定性失效 任何系统能够正常工作，必须满足稳定性要求。从设计的角度来讲，应对结构的稳定性进行定量的表征，以判定结构是否失稳。对于橡胶元件来说，当结构在承载过程中，位移不再随载荷的增加而增加，而是出现位移增加但载荷减少的不正常现象，这就是橡胶元件的结构失稳 [2] （见图 5）。 图5 失稳下的载荷位移特征曲线 与其它功能性失效形式不同，稳定性失效时结构本身没有出现变化，橡胶材料没有出现降解或交联等分子链重组问题，它只是在特定的载荷位移下失去承载功能，但失稳是偶然性的，事发前没有征兆，结构没有出现破坏，因此确保结构在任意承载过程中满足稳定性要求是产品设计必须考虑的关键问题。 为确保结构在使用过程中，不会出现失稳，在设计过程中应采取有效措施进行预防，包括采用有限元分析技术对橡胶元件在极限载荷下的承载特性进行预测，并通过实验手段进行稳定性校核验证，以确保弹性元件在使用过程中是 稳定的。 图6 橡胶元件失效状态 2 破坏性失效 2.1 疲劳失效 疲劳破坏是橡胶元件破坏的最主要形式，所谓疲劳是指橡胶制品在动态拉伸、压缩、扭曲和剪切作用下，胶料的物理性能和结构发生变化的现象。疲劳破坏就是橡胶制品在动态应力或应变作用下随着疲劳过程的进行导致材料破坏的现象 [3] ，而这种破坏行为是橡胶元件在长期使用过程中，最初在应力或应变较高的局部开始，形成损伤裂纹并逐渐扩展，达到临界尺寸并最终导致破坏（见图5）。因此，与其它失效形式相比，局部性是疲劳失效的最重要特征。 图5 橡胶疲劳失效 橡胶元件出现疲劳失效，其表征形式为橡胶局部表面出现裂纹、开胶、龟裂、褶皱等非正常的破坏现象，同时其承载特性往往伴随着胶料硬度、刚度等特征一起发生变化，当刚度变化达到结构无法承受时橡胶元件则因最终失去承载能力而失效。 为提高橡胶元件的疲劳性能，一方面要求设计时必须对结构进行优化，使产品承载最大程度表现为等应变状态，同时还应该根据使用环境，优化工艺配方，选择合适的胶种及硫化方式，使橡胶元件因此能获得一个较好的疲劳寿命。 2．2 极限载荷失效 静态或动态极限载荷下的破坏，取决于橡胶元件的整体结构。与疲劳失效的局部性特征不同，极限载荷失效的最大特点为结构的整体性，从承载的时间周期上讲，橡胶元件是在一次性载荷的作用下，即发生撕裂等破坏(见图6)。 图6 极限载荷失效 从工程的角度来讲，橡胶元件是不允许因极限载荷而失效的，但从设计及开发的角度上来讲，通过一些极限载荷失效实验，可以对结构的承载能力及可能的疲劳特性进行一个评估和把握，因而是目前产品设计开发过程中一个很常用的实验方法。 2.3 粘结失效 对橡胶与金属复合的橡胶制品来说，金属与橡胶表面间的粘合问题是产品生产中的一个重要问题。在选用合适的金属与橡胶粘结的胶粘剂及确保严格的粘结工艺的前提下，橡胶与金属的粘结强度可以达到 7Mpa 以上，而橡胶与金属表面间的这种粘 结强度已经高于橡胶强度本身，因此，当产品进行极限破坏实验（附胶率实验）时，实验破坏的位置发生在橡胶本身部位，而不会发生在橡胶与金属表面结合处。 图7 橡胶与金属处剥裂 但当胶粘剂选择不合理，或者粘结工艺无法达到设计要求，生产出来的产品进行附胶率实验或实际应用过程中，则会在橡胶和金属表面出现剥裂性破坏（见图 7），因此为确保这种粘结特性，选择的胶粘剂应不仅能承受高负荷、大变形，还必须具有优良的耐腐蚀性。即便如此，橡胶制品在使用过程中，还是应注意防油、防腐蚀性介质浸入橡胶制品。 3 结论 根据使用要求，橡胶材料可以制造成不同用途的橡胶元件，在减震降噪、密封、承载等领域发挥重要的作用，同时，也应该根据产品形态及承载特点，在产品研制过程中，对橡胶元件的失效形式进行分析、研究及实验测试，以使开发的产品能够满足使用要求。