Effect of an anisotropic stretch-induced softening on fracture behaviour of rubber compounds: development of an experimental methodology applied to a silica filled NBR

In this master thesis work the fracture behaviour of a reinforced elastomer, in particular a silica filled NBR compound, was studied. Anisotropic softening has been demonstrated to occur when a sample of this material is deformed. In literature, however, the influence of this change in the mechanical behaviour on the fracture properties is limited to uniaxial tensile behaviour of the softened material. This work, therefore, aims to develop a method for determining the fracture response of a previously stretched filled rubber specimen, depending on both the strain state generated to induce stress softening and the direction along which it is tested relative to the main direction of pre-stretching. A rectangular specimen was tested in uniaxial tension. Digital Image Correlation analysis showed that the induced strain state (defined by a biaxiality index) wasn’t homogeneous at different regions in the specimen. Therefore, the specimen was characterized by dividing the surface into 25 regions each of which is associated with a biaxiality index value. Following preconditioning, subsamples were die cut from various areas of the rectangular sheet, in a direction parallel and perpendicular to the pre-stretching one. They were tested in uniaxial tension to confirm the effect of the different biaxiality on the response of the material. The results did not show particular differences between the stress-strain curves of subsamples die-cut along the same direction. Moreover, fracture tests were carried out on subsamples die-cut, along two orthogonal directions, in random positions of the softened sheet. Their tearing energy values at the crack onset were correlated with the biaxiality index in the area of the rectangular sheet from which each subsample was obtained. The results show that, contrary to what was expected, the subsamples which were die-cut perpendicular and parallel to the pre-stretching direction are, respectively, characterized by a lower and a higher fracture toughness compared to the virgin material. However, a correlation between these results with the biaxiality index was not obtained. The same procedure was applied to study the effect of a pure shear and an equibiaxial tensile preconditioning on the fracture behaviour of the material. Even in this case, it was concluded that the main differences in the fracture behavior of the material are due to the direction considered rather than to the variation in the biaxiality index.

In questo lavoro di tesi magistrale è stato studiato il comportamento a frattura di un elastomero rinforzato, nello specifico un composto di NBR rinforzata con silice. È stato dimostrato che un softening anisotropo si verifica quando un campione di questo materiale viene deformato. In letteratura, tuttavia, non è studiata l’influenza di questo cambiamento delle proprietà meccaniche sulla frattura. Questo lavoro, pertanto, si propone di sviluppare un metodo per determinare la risposta a frattura di un campione di gomma caricata precedentemente allungato, in funzione sia dello stato di deformazione generato per indurre il softening, che della direzione lungo la quale viene testato rispetto alla direzione principale di pre-allungamento. Per lo sviluppo del metodo, una lastra rettangolare è stata sottoposta a una prova di trazione uniassiale. L'analisi DIC ha mostrato che lo stato di deformazione indotto (definito da un indice di biassialità) non è omogeneo sul campione. Pertanto, il provino è stato caratterizzato dividendo la superficie in 25 regioni a ciascuna delle quali è associato un indice di biassialità. Dopo il precondizionamento, alcuni sottocampioni sono stati fustellati in varie posizioni della lastra rettangolare, in direzione parallela e perpendicolare a quella di allungamento. Essi sono stati testati in trazione uniassiale per confermare l'effetto della diversa biassialità sulla risposta del materiale. I risultati non hanno mostrato particolari differenze tra le curve sforzo-deformazione di sottocampioni fustellati lungo la stessa direzione. Inoltre, sono state effettuate prove di frattura su sottocampioni fustellati, lungo due direzioni ortogonali, in posizioni casuali della lastra precedentemente deformata. I loro valori di energia di strappo all'innesco della cricca sono stati correlati con l'indice di biassialità associato al punto della lastra rettangolare da cui è stato ottenuto ciascun sottocampione. I risultati mostrano che, contrariamente a quanto previsto, i sottocampioni fustellati perpendicolarmente e parallelamente alla direzione di principale di deformazione sono caratterizzati, rispettivamente, da una tenacità inferiore e superiore rispetto a quella del materiale vergine. Tuttavia, non è stata ottenuta una correlazione tra questi risultati e l’indice di biassialità. La stessa procedura è stata applicata per studiare l'effetto di una diversa sollecitazione (taglio puro e tensione equibiassiale) sul comportamento a frattura del materiale. Anche in questo caso, si è concluso che le principali differenze riscontrate sono dovute alla direzione considerata piuttosto che alla variazione dell'indice di biassialità.