1.4 疲劳性能破坏
制品疲劳破坏是在动态载荷或者形变作用下，内部引发裂纹并缓慢扩展而导致物理机械性能逐渐下降至断裂失效的现象。为了评估制品的疲劳寿命，应该了解使用中制品承受的负荷和位移变形，并尽量简化为简单拉伸或纯剪切等简单试样，研究其撕裂能和裂纹扩展特性，进而预测复杂应力（应变）状态下的疲劳破坏。若制品形状较复杂，可借助相关有限元软件模拟分析。
1.4.1 疲劳裂纹的引发与扩展
断裂力学认为，任何物体均存在微观或细观尺寸的裂纹核（缺陷或瑕疵），比如混炼胶中的多种配合剂和填料产生了10μm数量级的不均一性，纯胶中含有的凝胶粒、微孔等杂质，加工成型中产生的缺陷与孔隙、气泡等。这些裂纹核在载荷作用下，容易形成局部的应力集中。当制品反复应力（应变）作用时，裂纹核引发裂纹并缓慢扩展，一旦达到临界尺寸，裂纹便失稳扩展发生断裂破坏。因此疲劳寿命N=N1+N2，且N1＞N2，其中N1为由裂纹核产生裂纹需要的疲劳次数，N2为裂纹扩展至破坏所需要的疲劳次数。图1-10是橡胶疲劳的普适S-N曲线。
图1-10 橡胶疲劳的普适S-N曲线
定量解析疲劳过程中裂纹核的临界理论尺寸和裂纹扩展速率成为研究疲劳过程和预测疲劳寿命的主要表征参数。在疲劳过程中，裂纹的扩展速率（dc/dN）是断裂能（G）的唯一函数，Grant等人提出：
（1-15）
式中，B为材料常数；β为裂纹扩展参数；c为裂纹长度。
在拉伸疲劳的情况下，将式（1-12）代入式（1-15）中，可求出裂纹由c0扩展到c时的疲劳次数（N）：
（1-16）
式中，c0表征了裂纹核的大小，c0值越大表示疲劳过程中越易引发裂纹；β表征了裂纹扩展速率，β值越大，裂纹的扩展速率越快。
β值实质上是S-N曲线中的斜率；c0值实质上可理解为“固有裂纹尺寸”，c0值为几微米至几十微米。
含有骨架的制品，其复合结构具有明显的宏观不均一性和各向异性。由于骨架材料的不可伸长，疲劳特性研究比较复杂，且实验结果存在一定的分散性。文献报道，金属-橡胶与纺织物-橡胶复合结构的裂纹扩展速率相差不大。
1.4.2 影响疲劳性能的因素
影响疲劳性能的因素颇多，主要有橡胶种类、补强与硫化体系、温度、氧化与臭氧化、形变振幅和频率等。
不同种类橡胶疲劳中抗裂纹扩展性能不同，表1-4列出了某些橡胶的β值。应指出，应变的大小和速率都会影响β值，比如NR在低应变时，β值为1.68～2.38，在高应变时，β值为3.2～4.6。橡胶并用对β值和c0值有所影响。
表1-4 橡胶的β值
表1-5描述了NR/BR并用胶料疲劳破坏的特征。从中可以看出，BR的c0值较小，不利于裂纹的引发，但β值较大，说明裂纹扩展性能较差，加入适量NR后出现了c0值有所增大而β值有所下降的效果，有助于改善疲劳性能。NR中杂质较BR多，故c0值较大。
表1-5 NR/BR并用胶料的疲劳破坏参数
炭黑的加入提高了所有硫化胶的抗裂纹扩展性能，一方面炭黑与橡胶分子链间化学结合和物理结合产生的能量耗散提高了抗裂纹扩展性，另一方面炭黑在裂纹端部产生钝化作用而提高了抗裂纹扩展性能。
硫化体系对裂纹扩展性有较大影响。交联结构中柔顺性较好的多硫交联键比强度较大的单硫交联或碳-碳交联键具有较好的抗疲劳性。适度的交联密度有利于分子链取向或诱导结晶，故具有较好的抗裂纹扩展性能。制品中的裂纹扩展速率一般随温度升高而加快。主要是温度升高活化了热氧化反应和臭氧化反应，使裂纹端部随着力化学反应不断发生，促进裂纹不断扩展。比如疲劳试验中随着温度升高到100℃，未填充NR的疲劳寿命减小了4倍。
形变振幅和频率对疲劳寿命有较大影响，随着形变振幅的增大，降低了力化学反应的活化能，氧化及臭氧化反应容易进行，促进了裂纹的扩展，文献认为多数合成橡胶比天然橡胶更敏感。一般情况下，若形变频率过高，将导致裂纹扩展加速。因为在低频下（＜50Hz），制品中温度升高可以通过热传递与环境温度达到热平衡，对裂纹扩展影响较小；而高频率下，由于橡胶的不良导热性，温度升高不能及时传递，热能的积累促进了热老化的进程，裂纹扩展速率增加，必然降低疲劳寿命。