A study on the fracture behaviour of a NBR/silica compound: effect of strain-induced softening and applied thermal treatment

This thesis work explores the mechanical behaviour of a silica-filled NBR compound, focusing on strain-induced softening and its recovery by means of appropriate thermal treatments. Two different thermal treatments were applied to the material, and their effect was studied under monotonic uniaxial tensile loading conditions. A change in the material response was observed, suggesting that incomplete crosslinking occurred during the curing process. A post-curing treatment was then applied to stabilize the material, and it was observed that the previously studied thermal treatments did not significantly affect the response of the post-cured material. The strain-induced stress softening effect was investigated, and both thermal treatments were found to allow for almost complete recovery of the stress-strain behaviour of the pristine material. The effect of one of the two thermal treatments on the fracture behaviour of the post-cured material was also examined; the behaviour of the not post-cured material was also analysed. It was found that different thermal histories have a more detrimental effect on unstable crack propagation than on crack onset but do not significantly affect the values of crack length and crack growth rate required for the start of unstable crack propagation. An attempt was made to correlate the different fracture behaviour of the materials under investigation to their susceptibility to cavitation. Finally, the effect of stress softening in pure shear configuration on the fracture behaviour of the post-cured material was investigated. The softening caused a reduction in the J-integral at both the crack onset and the start of unstable propagation, which could not be recovered using the same thermal treatment used to recover the stress-strain behaviour in uniaxial tension.

Questo lavoro di tesi esplora il comportamento meccanico di una gomma NBR caricata con silice, concentrandosi sul softening indotto dalla deformazione e sul suo recupero mediante opportuni trattamenti termici. Due diversi trattamenti termici sono stati applicati al materiale e il loro effetto è stato studiato mediante prove di carico monotono in trazione uniassiale. È stato osservato un cambiamento nella risposta del materiale, che suggerisce che durante il processo di reticaolazione sia verificata una reticolazione incompleta. È stato quindi applicato un trattamento di post-curing per stabilizzare il materiale ed è stato osservato che i trattamenti termici precedentemente studiati non influenzano significativamente la risposta del materiale post-cured. È stato studiato l’effetto del softening indotto dalla deformazione ed è emerso che entrambi i trattamenti termici consentono un recupero quasi completo della comportamento sforzo-deformazione del materiale pristino. È stato inoltre esaminato l’effetto di uno dei due trattamenti termici sul comportamento a frattura del materiale post-cured; un confronto è stato effettuato anche con il materiale non post-cured. È emerso che le diverse storie termiche hanno un effetto più negativo sulla propagazione instabile della cricca che sull’innesco della frattura, ma non influenzano significativamente i la lunghezza e la velocità della cricca necessarie per l’inizio della propagazione instabile. Si è cercato di correlare il diverso comportamento a frattura dei materiali esaminati alla loro suscettibilità alla cavitazione. Infine, è stato studiato l’effetto che il softening in stato di sforzo di puro taglio ha sul comportamento a frattura del materiale post-cured. Il softening causa una riduzione dell’integrale J sia al crack onset sia all’inizio della propagazione instabile, che non è stato possibile recuperare per mezzo dello stesso trattamento termico utilizzato per recuperare il comportamento sforzo-deformazione in trazione uniassiale.