赵建勇 郑占强

摘要：某型橡胶软管装机使用半年后外表面出现裂纹，外观检查，对橡胶软管外胶层两种不同形貌的老化裂纹断口进行宏观观察，采用视频显微镜及扫描电子显微镜对外观损伤特征进行检查，并对“星状”裂纹断口表面的颗粒物进行能谱分析，确定了两种不同形貌的老化裂纹开裂性质，分析软管外胶层开裂原因，并从延长橡胶软管使用寿命角度出发提出了在设计和使用阶段的意见和建议。

关键词：软管；开裂；老化

Keywords：hose；cracking；aging

0 引言

某型橡膠软管于2016年3月生产，同年装机，使用半年后发现其外胶层表面存在大量的老化裂纹，外观无明显的机械损伤和高温老化现象，无漏油现象发生。该橡胶软管安装在起落架附近，外胶层为丁腈橡胶，软管内部工作介质为15#航空液压油，工作压力15MPa，分解后返厂经历4倍工作压力爆破试验，并未发现胶管有漏油现象。

航空非金属类产品所用材料如橡胶、塑料和复合材料以及部件连接中用的胶粘剂都是高分子材料。高分子材料具有突出的粘弹性，而粘弹性材料对应力的响应不是瞬间的，而是应变落后于应力，因此高分子材料具有较强的应变速率相关性[1-3]。另一方面，应变速率的大小又直接影响到高分子材料的断裂特征[4-5]，因此，要分析胶管裂纹的形成机理，必须同时考虑应变速率的影响。本文借助视频显微镜、电子显微镜、能谱仪等检测仪器，结合橡胶软管特性和工作环境，确定了老化裂纹性质，并分析了老化裂纹形成的原因。

1 试验过程与结果

1.1 外观检查

橡胶软管由外胶层、钢丝加强层、中间层和内胶层四部分组成（见图1a。在软管外胶层的弯曲位置处，其外向表面可见大量方向一致的周向老化裂纹（见图1b～c），其他位置未见明显的周向老化裂纹，仅局部存在少量的“星状”裂纹（见图1d）。

1.2 断口观察

随机打开一处周向裂纹，采用视频显微镜进行观察，其断口宏观形貌特征如图2a所示。采用扫描电子显微镜在低倍下进行观察，裂纹源区位于胶层外表面（见图2b），由外向内扩展，双点源；采用扫描电子显微镜在高倍下进行观察，源区附近可见明显的扩展棱线特征，未见机械损伤、高温熔融、夹杂、大块颗粒物结晶析出等形貌特征（见图2c～d）。源区左右两侧的断口形貌如图3、图4所示，裂纹同样由外向内扩展，断口表面未见高温熔融特征。

人为打开一处“星状”裂纹，可以观察到裂纹并未完全裂透，下侧断口靠近内侧没有出现裂纹（见图5）。采用扫描电子显微镜对“星状”裂纹的主裂纹断口进行观察，源区位于外表面，线源，裂纹由外向内扩展，断口表面存在大量的颗粒状物质，如图6、图7所示。

1.3 能谱分析

对“星状”裂纹断口表面的颗粒物进行能谱分析，分析位置见图8，分析结果见表1，其主要元素为C、O、Ca、Si和Zn，为丁腈橡胶的配合剂元素。

2 分析与讨论

橡胶软管在外胶层的弯曲位置处出现大量方向一致的周向裂纹，打开其中任意一处裂纹，对其进行断口微观观察，结果显示裂纹起源于外表面，点源，由外向内扩展；源区未见机械划伤、高温熔融以及大量颗粒物析出等特征。周向裂纹集中在软管的弯曲位置，这是由于软管在机械力作用下产生了弯曲，导致应力分布不均匀，使弯曲部位产生应力集中，结果造成弯曲部位的分子链被扯断。该软管安装于起落架部位，随起落架收放会产生周期性变形，由于应变对应力有滞后效应，在分子链中总是保持一定的应力梯度，从而使分子链更容易发生断裂。另外，软管外胶层为丁腈橡胶，长时间暴露在空气中，其分子结构中存在丁二烯链段的不饱和键容易受到环境因素影响（如紫外线、氧、臭氧、水分等）而发生化学反应，使橡胶分子进一步结构化，交联度过大，外胶层发硬产生龟裂。结合软管弯曲处的受力与裂纹扩展方向以及裂纹断口表面形貌，可以推断应力集中对周向裂纹的产生起主导作用，该处的周向裂纹为应力老化裂纹。

橡胶软管在其他位置未见明显的周向裂纹，仅局部存在少量的“星状”裂纹。打开其中任意一处“星状”裂纹的主裂纹，对其进行断口观察，裂纹起源于外表面，线源，由外向内扩展；断口表面可见大量的颗粒状物质，且源区为颗粒物集中位置，对颗粒物进行能谱分析，主要元素为C、O、Ca、Si和Zn，应为橡胶添加物的成分元素。“星状”裂纹的表面同样未见高温熔融特征，且其裂纹方向为杂乱无序状，可以确定“星状”裂纹产生的原因为丁腈橡胶分子中的不饱和键和游离基受环境因素影响发生化学反应，引起分子链断裂，该处的“星状”裂纹为自然老化裂纹。

橡胶软管在机上工作时无漏油现象，分解后在软管综合试验台上按4倍工作压力进行爆破试验也没有出现漏油现象，可以确定软管内胶层、中间层和钢丝加强层均没有受到损伤，进一步说明该软管受工作环境因素影响后仅是外胶层出现了老化裂纹现象。

3 结论及建议

1）橡胶软管开裂起源于外表面，周向裂纹为点源，“星状”裂纹为线源；橡胶软管外胶层的周向裂纹性质为应力老化裂纹，起源于外表面；其他位置处的“星状”裂纹性质为自然老化裂纹，亦起源于外表面。

2）针对橡胶软管受机械力作用出现应力老化问题，建议在设计阶段合理选择软管长度，留有一定的长度余量，保持一定的自由度；合理选择软管接头，避免使软管产生额外的负载；在软管装配时不应使软管扭曲，安装面与运动面应处于同一平面，其弯曲半径必须大于软管最小弯曲半径，同时减少软管弯曲次数，降低人为因素对应力老化的影响。

3）由于软管外胶层为丁腈橡胶，其耐候性较差，直接暴露在空气中容易出现老化现象，建议在设计阶段合理选择软管外胶层材料。另外，可对软管的外部包覆一层防护性材料，以降低外部环境因素的影响，延长软管的使用寿命。

参考文献

[1]许凤和，邸祥发，等. 航空非金属件失效分析[M].北京：科学出版社， 1993. 12-13.

[2]万钦志，李慧敏，欧阳小东. 加载速率对PC/ABS拉伸性能的影响[J].高分子材料科学与工程. 2006，22（1）：131-134.

[3]陶华. 天然橡胶撕裂能和疲劳裂纹扩展速率研究[J].西北工业大学学报.1998，16（1）：131-134.

[4]倪玉山，徐军，张华兵. 轮胎中橡胶材料断口形貌及破坏机理分析[J].高分子材料科学与工程. 2004，20（6）：184-186.

[5] O H Yeoh. Relation between crack surface displacments and strain energy release rate in thin rubber sheets [J]. Mechanics of Materials.2002，34：459-474.

作者简介

赵建勇，工程师，主要从事航空产品的制造与修理、材料理化性能测试等。