水射流作用下橡膠斷口微觀形貌特征研究

楊小凱，康 勇

（武漢大學(xué)動力與機械學(xué)院，湖北 武漢430072）

廢舊輪胎回收利用是一項循環(huán)經(jīng)濟工程，不僅要求在轉(zhuǎn)化過程中成本低、不產(chǎn)生新的污染源，而且還要求轉(zhuǎn)化的新資源是可用的，否則將造成新的資源擠壓和浪費，無法形成良性循環(huán).將廢舊輪胎加工成橡膠粉是國際上通用的廢舊輪胎再生處理方式，在此加工過程中，精細膠粉無污染粉碎技術(shù)被列為廢舊輪胎粉碎三大技術(shù)難點之一［1］.傳統(tǒng)的機械加工研磨膠粉時不可避免產(chǎn)生“溫升”，當(dāng)溫度達到140℃左右就要產(chǎn)生“焦化”現(xiàn)象［2］，焦化后的膠粉炭化，使膠粉失去彈性而成為廢品.廢舊輪胎處理中大量存在熱破壞現(xiàn)象［3］，對橡膠材料切割過程和機理的研究是非常必要的.

水射流切割是一種具有環(huán)保概念的切割設(shè)備，其基本過程是以水為介質(zhì)，通過高壓水發(fā)生設(shè)備和特定形狀的噴嘴產(chǎn)生高速射流，由于該射流具有極高的能級密度，且成本低、效率高、無污染，多年來已廣泛應(yīng)用于采礦、石油、化工、航空、航天等領(lǐng)域.高壓水射流切割相對于其他切割技術(shù)具有典型的冷態(tài)加工特性，因為高壓水射流切割時產(chǎn)生的切削熱被水射流迅速帶走，被切割工件不會產(chǎn)生溫升，切口處材料的組織結(jié)構(gòu)也不會發(fā)生變化.近年來，屢次提出將高壓水射流技術(shù)應(yīng)用于橡膠切割，但缺乏對其切割機理的深入研究.本文通過分析橡膠在射流沖擊條件下的微觀組織結(jié)構(gòu)和宏觀力學(xué)性能，得出橡膠材料的整個斷裂過程和斷裂機制，進而討論水射流在廢舊輪胎切割中的可行性，為廢舊輪胎處理尤其是高質(zhì)量精細膠粉的加工制作提供理論支持.

1 實驗部分

1.1 試樣來源

選用的橡膠試樣為普通硫化橡膠，樣品規(guī)格為80mm×30mm×200mm.委托青島同科橡膠研究所進行硬度（Shore A）、拉伸強度、扯斷伸長率和撕裂強度測試，拉伸、撕裂實驗各取4組試樣進行（褲形和啞鈴形各2組）檢測，經(jīng)測定試樣的硬度為58、拉伸強度為14.8 MPa、扯斷伸長率為563%、撕裂強度為34kN／m.

1.2 水射流切割橡膠實驗

采用Omax2626xp切割臺進行純水切割實驗，工作臺最大切割面積為737mm×635mm，切割速度最大可達2 286mm／min，切割壓力最大可達到380 MPa.

實驗方法：用一塊250 mm×125 mm×30 mm 橡膠試件做純水射流切割實驗.初始射流壓力為215 MPa，初始切割速度為700 mm／min.切割軌跡設(shè)定為直線型，長度為80 mm，切割橡膠厚度為30mm.如果在此條件下，純水射流不能將橡膠皮切斷，則以5 MPa為壓力梯度，逐步提升壓力.如橡膠被完全切斷，則以10 MPa為壓力梯度，逐步提增壓力，從而得出切深h隨壓力p 的變化關(guān)系（見圖1）.

1.3 SEM 觀察實驗

在水射流切割實驗之后的樣品經(jīng)過脫水、干燥處理后，將試樣放入噴金設(shè)備中進行噴金處理.在XL30ESEM FEG 型場發(fā)射掃描電鏡下對斷口進行觀察（見圖2），操作電壓為20kV.采用最細的電子束的束斑為0.5nm 以下，分辨率最高為0.4nm.

2 結(jié)果與分析

2.1 斷口形態(tài)分析

橡膠試樣在持續(xù)的射流作用下具有很大的彈性儲能，當(dāng)含有彈性變形能力的橡膠材料受到足夠大能量的沖擊時，則形成裂紋，裂紋吸收能量后擴展.當(dāng)射流束具有的沖擊勢能大于橡膠材料的彈性應(yīng)變能和裂紋擴展表面能之和時裂紋會不斷地擴展，一旦裂紋擴展就導(dǎo)致試樣斷裂［4］（見圖3）.從試樣端口形貌可以明顯看出，端面上部的切割磨削區(qū)（見圖3a）是表面狀況最好的區(qū)域，在掃描電鏡下觀察到明顯的平行擦痕，并伴有沿沖擊方向擴展延伸的線條狀裂紋.說明炭黑二次聚集體在疲勞過程中發(fā)生了破壞.橡膠在拉伸方向上發(fā)生了取向，同時，仍存在的炭黑二次聚集體也發(fā)生了一定程度的取向.而在下部的變形磨削區(qū)（見圖3b）開始出現(xiàn)波紋線，且線型從上至下逐漸加深，在掃描電鏡下，可見與裂紋源同心的弧狀肋帶，距射流噴嘴越遠，肋帶越粗，且肋帶之間的距離越寬.從斷面上分散不均勻顆粒也可以看出，橡膠中存在一些光滑的顆粒，這些顆粒未能與橡膠形成良好的結(jié)合，有少量的微小氣孔（見圖3c），裂紋擴展曲線沿著微小氣孔擴散，并將各微小氣孔連接起來.微小氣孔在橡膠中的存在位置具有不確定性［5］，所以擴展曲線也不規(guī)則，呈現(xiàn)出不同的肋帶分布輪廓.

圖3 水射流作用下的橡膠端口形貌

水射流垂直沖擊到橡膠試樣上時會產(chǎn)生沖擊波，沖擊波則會減弱射流的正面沖擊力，使射流回彈量增大，不利于射流的集束性.并且垂直于工件表面的射流會直接沖擊工件表面產(chǎn)生“水墊”，反而增大了“水墊”的反作用力，不利于射流的沖擊作用.裂紋初始形成的位置，都是反向作用于射流束，射流束對橡膠的作用力沒有產(chǎn)生偏移，且垂直于橡膠表面.隨著裂紋的逐漸擴展，射流的回彈力和“水墊”的反作用力方向發(fā)生了改變.射流經(jīng)工件表面后會反射一定的角度，一方面減小了射流的沿程阻力，另一方面減小了沖擊回波的形成［6］.射流束在射流回彈力和“水墊”反作用力的共同作用下產(chǎn)生方向偏移（見圖3d），形成“L”型切割面.隨著沖擊距離的增大，邊界條件對射流方向產(chǎn)生的影響也就越大，射流束越容易在沖擊過程中發(fā)生方向偏移.所以，隨著射流距離增大而表面形態(tài)也逐漸向增大方向偏移.

實驗結(jié)果表明，當(dāng)射流供給能量較小或者切割厚度較大時，參與被切割橡膠下半段的射流能量供給較少，對橡膠的撕裂力也較少，試樣切縫為一倒錐形（見圖4a），其微觀斷裂機制是剪切破壞加局部拉伸破壞.隨著切割厚度的降低，同一時間內(nèi)更大能量的射流參與被切割橡膠的下半段切割，切縫逐步變?yōu)殚L方形（見圖4b），切槽內(nèi)側(cè)面主要為剪切錯動，其微觀破壞機制是剪切性破壞.

圖4 不同射流供給能量下的橡膠斷口形貌

2.2 微觀斷裂機理分析

橡膠中含有各種添加劑，它在微觀結(jié)構(gòu)上呈現(xiàn)出不同程度的不均一性，這些不均一物質(zhì)都有一個共同的特征是形成很高的局部應(yīng)力集中，導(dǎo)致橡膠產(chǎn)生裂紋核.斷裂力學(xué)認為由裂紋核形成的原始缺陷會緩慢擴展裂紋的尺寸范圍，一旦達到臨界尺寸，裂紋便快速擴展，發(fā)生破壞.

橡膠材料在射流沖擊加載初期，當(dāng)橡膠內(nèi)壁界面上的局部應(yīng)力達到與某一沖擊速率有關(guān)的臨界值時，高分子開始滑動或者轉(zhuǎn)動，分子鏈間的滑動需要克服范德華力以及滑動摩擦力等阻力.在較低沖擊速率條件下，橡膠材料的應(yīng)變率較低，分子鏈的滑動速度較低，分子鏈滑動需要克服的阻力也較小，使得分子鏈在拉伸正應(yīng)力方向拉直的同時，在與拉伸垂直的橫截面上得到充分的收縮，分子鏈發(fā)生較緩慢的斷裂，裂紋沿著與射流垂直的方向擴展，擴展路徑選擇內(nèi)部結(jié)構(gòu)相對薄弱的部分，如填充粒子、空穴或結(jié)晶等缺陷處，逐步形成了裂紋核.隨著射流沖擊力的增加，橡膠材料的應(yīng)變率增加，分子鏈的滑動速度也相應(yīng)地增加［7］，分子鏈運動的阻力增加.當(dāng)射流沖擊力達到某一極限值時，分子鏈在拉伸方向的滑動速度和在截面上的收縮速度均低于射流沖擊力，拉伸方向與截面上的變形量均減小.因此，在垂直于正應(yīng)力方向發(fā)生了分子鍵斷裂，在試樣端口上產(chǎn)生相交的二次裂紋.此時，隨著射流沖擊力的逐步增大，裂紋尖端擴展速度加快.當(dāng)射流出口參數(shù)保持恒定，伴隨著裂紋的逐步擴展，裂紋尖端射流能量逐步下降，此時射流對試件的沖擊能降到一個最小值，如果這個最小值低于裂紋擴展的臨界撕裂能，那么裂紋將停止擴展.

因此，橡膠發(fā)生斷裂的依據(jù)就是高壓水射流提供的能量能否大于分子鏈間運動所需的范德華力與滑動摩擦力.

切割磨削區(qū)域的射流速度較快、能量高，宏觀上呈平整光滑鏡面狀.在掃描電鏡下顯示，經(jīng)過強大的射流沖擊力的作用，許多分子鏈同時被快速拉斷，所以，就形成了較光滑的斷口形態(tài).并從裂紋源出發(fā)，形成沿裂紋擴展方向延伸的線條狀裂紋.而在下部的變形磨削區(qū)，射流到了這里能量已有所損失，速度有所降低，且射流開始發(fā)生偏轉(zhuǎn)，沖擊角增大，切割能力降低，橡膠在直接沖擊的射流沖蝕磨損下開始出現(xiàn)波紋線，且線型從上至下逐漸加深，由于分子鏈或分子鏈束在橡膠中的隨機分布特點［8］，未必都是與應(yīng)力方向垂直的某個平面，所以，在取向分子鏈被相繼拉斷時，就形成了較粗糙的斷口形態(tài).有時可見裂紋呈拋物線花樣，拋物線的軸線指向射流源，隨著射流距離的增加，密集程度增高.當(dāng)射流到了切割能力已不足以切穿工件的臨界點時會發(fā)生反射，反射的射流與隨后的沖擊射流相遇，并在切口底部發(fā)生紊亂，使得切口底部產(chǎn)生缺陷，切面底部出現(xiàn)極無規(guī)律的波紋.

顯而易見，在切割磨削區(qū)為分子鏈同時快速拉斷，斷口平整光滑；而在變形磨削區(qū)高壓水射流提供的能量不足以克服高分子鏈范德華力與滑動摩擦力，裂紋沿低能分子鍵擴展，由于低能分子鍵的隨機分布，斷口呈現(xiàn)無規(guī)律波紋狀.

3 結(jié)論

（1）橡膠發(fā)生斷裂的依據(jù)是高壓水射流提供的能量能否大于分子鏈間運動所需的范德華力與滑動摩擦力.沖擊能達到臨界點，裂紋便快速擴展，發(fā)生破壞；若沖擊能降到低于裂紋擴展的臨界撕裂能，那么裂紋將停止擴展.

（2）在切割磨削區(qū)為分子鏈同時快速拉斷，斷口平整光滑；而在變形磨削區(qū)高壓水射流提供的能量不足以克服高分子鏈范德華力與滑動摩擦力，故裂紋沿低能分子鍵擴展，由于低能分子鍵的隨機分布，斷口呈現(xiàn)無規(guī)律波紋狀.

（3）射流束在射流回彈力和“水墊”反作用力的共同作用下產(chǎn)生方向偏移，斷口表面表現(xiàn)出呈“L”型偏移肋帶.

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