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ゴムの疲労

ゴムの疲労とは



破断応力や破断ひずみよりはるかに小さい応力やひずみが
動的または静的に一定期間加えられることによって
その材料のある目的とする機能を徐々に低下するする現象を
ゴムの疲労とよび、その機能があるレベル以下になるまでの期間
または、繰り返し数を疲労寿命という

外圧による変形、分子鎖の破断©
クラック発生のレッドゾーンを超えて押し潰される

ゴムを含む高分子材料にこのような、動的または静的荷重又は
変形が加えられたときにおこる現象は

  • 第1には、クラックの発生とその成長を経て破断に至る疲労破壊がある
    摩擦もこの範ちゅうに入る
  • 第2には、塑性流動で、ゴムは代表的粘弾性材料であるが
    長期の荷重や変形下では、塑性流動がおこる
    「へたり」とよび永久クリープや応力緩和として現れる
  • 第3には、材料自身のミクロ構造変化とそれに伴う特性変化で
    弾性率、異方性、tanδなどの非破壊特性が変化する

ゴムの劣化とは


外力が作用しなくても起こる変化、
酸素、オゾン、放射線、紫外線などの環境下で起こる物性や強度
の低下は、劣化と呼ばれる

ゴム材料の疲労破壊のメカニズム



ゴムの疲労と破壊

  • ゴム材料が外力を受けると、分子主鎖(C-C結合)は、
    引っ張り方向に引き伸ばされ配列しようとする。
    その際、分子鎖を構成する化学結合は水素結合
    ファンデルワールス結合などの物理結合によりはるかに強いため
    まず、分子鎖どうしのすべり、分離や再配列が起こる

  • ところが系内に分子鎖の再配列を妨げる因子(架橋点、からみあい、
    結晶、充てん物)が存在すると、それらの近傍にある分子鎖は緊張状態
    になり、最初に外力を担う働きをする、この緊張状態(応力)が
    分子鎖の化学結合より大きくなると、局部的な分子鎖切断が起こる

  • 1個の分子鎖が切断されると、その隣の分子鎖が代わりに応力を
    担うようになるため、分子鎖の切断はその周囲に伝播し集合して
    やがて、ミクロボイドを形成する

  • 系内に発生した無数のミクロボイドのうち、
    臨界の大きさグリフィスクラックに成長したものはミクロクラックとなる
    グリフィスクラックの大きさに達しなかったミクロクラックは
    破壊に関係のない存在としてそのまま系内に残るか
    消滅する

  • ミクロクラックは非可逆的に成長を続け、そのうち最大の大きさの
    ものが、マクロクラックとなる。

  • マクロクラックは、巨視的にはその突端の最大主応力点を追いかけながら
    引っ張り方向に直交して前進する、しかし微視的にみると、マクロクラックはその突端部に形成される応力場内で成長したミクロクラックと
    合体し破断進行面に凹凸を形成しながら進む、そして最終的な
    全面破断に至る
    もし、一つの系内に大きな応力集中の原因となる異物、傷、構造欠陥
    などが存在すると、同じ外力を受けても、
    その付近の分子鎖はそれ以外のところにある分子鎖より
    はるかに大きな緊張状態を強いられる結果
    上記の過程は予想以上に進行する

    文献:ゴム工業便覧 日本ゴム協会編より抜粋


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