1.3　强度性能破坏

橡胶材料强度的测试一般是拉伸强度或撕裂强度等标准测试，而橡胶制品多数是在长期加载的复杂环境下产生了强度性能的破坏，这类标准测试只是材料的质量控制测试，难以作为预测制品破坏行为的参数。断裂力学认为，裂纹的存在与裂纹扩展特性决定了强度性能的破坏。

1.3.1　断裂能

裂纹扩展实质上是不断产生新的自由表面积的过程，其裂纹端部必定消耗相当的能量，消耗能量的多少与材料的性质、裂纹端部的应变和裂纹扩展的速率等因素有关。在热力学系统中，当裂纹开始扩展时，外力做功的增量dU，一方面使系统内势能（可逆弹性能）增加dU_e，另一方面使裂纹扩展而消耗，故可导出断裂参数（G）：

　　（1-11）

式中，B是试样厚度；C是裂纹长度。

参数G是裂纹扩展形成单位新面积时消耗能量的临界值，包括键断裂和黏弹损失消耗的能量，故称为断裂能，而橡胶文献中一般称为撕裂能，是材料抵抗裂纹扩展能力的量度。G值越高表明裂纹扩展的阻力越大，断裂强度越高。对于橡胶材料：

G=G₀+Ψ

式中，G₀表示本征撕裂能；Ψ是黏弹损耗和塑性形变消耗的能量。

本征撕裂能G₀取决于分子链中化学键的强度和硫化胶中交联键的强度。Ψ实质上是与填料、裂纹扩展速率、温度和总应变等因素有关的损耗函数。据报道，纯NR硫化胶的G₀值约为58J·m^-2，含炭黑的硫化胶的G值可达13000J·m^-2左右，说明硫化橡胶的G值很大程度上取决于破坏过程中的损耗函数Ψ值。

为了研究裂纹的扩展特性，实验中一般采用图1-7中的试样，测试材料的撕裂能G值。

（1）条形拉伸试样

G=2kcU₀　　（1-12）

式中，k为系数，k=3λ^-1/2；λ是切口开始扩展时的拉伸比；c为裂纹长度；U₀为拉伸区域的应变能密度，可由应力-应变曲线下面积求算。

（2）裤型试样

　　（1-13）

式中，F为外力；B为试样厚度，B值应小于其宽度值。

（3）纯剪切试样

G=U₀h₀　　（1-14）

式中，h₀为初始高度；U₀为试样纯剪切区内应变能密度。

应指出，由于G值对试样切口敏感度不同，三种试样的测试结果并非完全一致，存在一定的偏差，其中拉伸试样的切口敏感度较大，应采用同一种试样数据进行分析。

1.3.2　影响断裂能的因素

影响G值的因素颇多，如橡胶种类、填料、老化以及应变形式等。

非结晶型橡胶的G值依赖于撕裂速率和温度，如图1-8所示。非结晶橡胶的强度破坏随着黏弹能量耗散增大而增大。结晶型橡胶在相当宽广的范围内G值对速率和温度的依赖性较小，如图1-9所示，高应变时产生的诱导结晶阻滞了裂纹的扩展。

补强类填料可以较大幅度提高G值，主要原因是在裂纹的端部产生钝化效应。这种钝化作用与补强剂的粒径、结构和化学活性有关，粒子越细、结构性和活性越高，G值越高，可理解为在裂纹端部产生了各向异性结构或结晶的缘故。

实验证明，不含防老剂的试样，在真空条件下裂纹扩展所需的G值是空气条件下G值的2倍左右。说明制品使用过程中裂纹的扩展主要是应力活化氧化的过程。

臭氧侵蚀对G值的影响较明显。臭氧极易与双键作用，裂纹扩展可以在G值较低的情况下发生，特别是制品在形变状态下，表面的裂纹密度随应变的增大而增大。实验证实，臭氧浓度约为10^-8的条件下，含有抗臭氧剂的样品，其裂纹扩展速率大约为0.1mm/年。

含有骨架材料的制品，在剪切形变或压缩形变下的裂纹扩展特征并不相同。在简单剪切中，裂纹倾向于向界面处扩展，破坏经常发生在界面处或靠近界面处。在压缩形变下，压缩应力可以使裂纹产生闭合作用，裂纹扩展往往出现在制品的边缘。研究发现，剪切或压缩状态下的裂纹扩展速率接近于拉伸状态下的速率，所以后者的数据可供前者参考。

制品若处于膨胀状态时，会产生空化现象，此时制品内部的空洞（孔隙）会突然扩展达到临界状态，并引起断裂破坏。这种现象会在深海油井的钻探中出现，从水平面到海床垂直距离大于500m的钻探为深水钻探，超过500m为超深水钻探，这种环境下与密封制品表面接触的气体在压力下溶解渗透到制品中，当从海床返回时，压力从高压力值突然下降，内部气泡会迅速膨胀发生爆炸性解压断裂破坏。