聚乙烯塑料管材埋在地下壽命能達(dá)到五十年嗎?能達(dá)到50年。用疲勞方法預(yù)測(cè)聚乙烯管材抗慢速,一1裂紋擴(kuò)展能力-王絲趲(匕工部北京匕工研究院,北京,100080)7[?/'2摘要本文用疲勞斷襞力學(xué)方法對(duì)襞乙烯管村進(jìn)行了抗疲勞裂垃擴(kuò)展能力的研究.從而培出了一種快速預(yù)測(cè)這些材抖長(zhǎng)期使用性能的新方琺.關(guān)鍵詞墨至!壁一雩:縫?應(yīng)力強(qiáng)度因子.接一般的設(shè)計(jì)要求+聚乙烯燃?xì)夤艿氖褂脡勖鼞?yīng)大于五十年也即是說,管材在正常使用的條件下+五十年內(nèi)不發(fā)生破壞對(duì)管材專用料生產(chǎn)廠家和用戶來說,有兩個(gè)問韙需要解決:(1)材料的長(zhǎng)期性能何;(2)種不同牌號(hào)的專用料哪一種有較好的長(zhǎng)期性能.聚乙烯管材長(zhǎng)期使用下的破壞,實(shí)際上是一個(gè)慢速脆性裂紋擴(kuò)展過程.任何管材在加工過程或施工中都會(huì)造成忉始的缺陷即裂紋,在一定的應(yīng)力作用下,裂紋開始增長(zhǎng)+最終導(dǎo)致管材的破壞.因此,管材長(zhǎng)期杼陛的好壞可由其抗裂紋擴(kuò)展能力來決定.長(zhǎng)期靜水壓及恒定負(fù)荷的'慢速拉伸已經(jīng)可以預(yù)測(cè)高密度聚乙烯管材的長(zhǎng)期壽命.但對(duì)于中密度聚乙烯管材而言+靜水壓試驗(yàn)所需時(shí)間太長(zhǎng),而恒負(fù)荷試驗(yàn)又難以使佯品形成穩(wěn)定的脆性裂紋擴(kuò)展.近年來,國外報(bào)道了用疲勞斷裂力學(xué)方法評(píng)價(jià)聚乙烯材料的特性[1].當(dāng)給樣品施加低于材料強(qiáng)度的循環(huán)應(yīng)力時(shí).可以形成慢速穩(wěn)定的脆性裂紋且沿著預(yù)制裂紋方向擴(kuò)展,擴(kuò)展速率除與裂紋尖端處應(yīng)力分有關(guān)外主要取決于材料本身的特性.據(jù)此我們可以預(yù)測(cè)聚乙烯管材的期使用性能-實(shí)驗(yàn)部分所選材料的基奪情況見表.樣品:樣品取白嫫壓的片材.壓片條件為模捱尺寸:5厚;模壓溫度:175;預(yù)熱時(shí)收倩日期;199:一31一5::];:第3期王欣等:用疲勞方法珂測(cè)聚己烯管村抗慢速裂紋擴(kuò)展能力間:10;壓制時(shí)間:7;模壓壓力:;冷卻時(shí)間:10;冷卻壓力:15.樣品的幾阿尺寸如圖1一一/疲勞試驗(yàn):用70振動(dòng)疲勞試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行單軸一,蘭=二二二:.匕=::::]拉伸疲勞試驗(yàn),條件為單軸拉伸.,正弦波…溫:.度:'頻率:30"最大負(fù)荷:7.5;最小負(fù);荷:0.3;應(yīng)力強(qiáng)度因子振幅范圍:0.5～…～.2一/.裂紋擴(kuò)展的過程用讀數(shù)顯做鏡觀:一.;:察,記錄其裂紋長(zhǎng)度"與振動(dòng)次數(shù)"的關(guān)系.描繪:50,5.曲線,進(jìn)而推出裂紋增長(zhǎng)速率/血與對(duì)應(yīng)的應(yīng)力強(qiáng)度因子振幅-的關(guān)系.2結(jié)果與討論圖2和圖3為典型的裂紋擴(kuò)展過程的照片,其中圖2中(1)部分光滑平整,是預(yù)制裂紋部分,(2)部分是脆性裂紋擴(kuò)展部分;圖3為慢速裂紋擴(kuò)展過程的照片.圖為不同材料的霄曲線,由.這些曲線可得到不同材料的曲/血.根據(jù)斷裂力學(xué)中單邊裂紋平板試樣的應(yīng)力強(qiáng)度因子計(jì)贊方法/—1.12—0.23(/)+10.6(/一21.7(/).+30—4(/)'雷日嗍晰0隨-0.3.1呻0'鯽嗽臥廿?刪呻忡帥眥塢()式中=()而為應(yīng)力強(qiáng)度因子,計(jì)箅出應(yīng)力強(qiáng)度因子振幅△=‰一瓜再根據(jù)&;法則.山/血一或/血=+\繪出一/圖,如圖5所示.由圖可以看出,在山/血一^的雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)中曲線分為三部分,即開始擴(kuò)展部分,穩(wěn)定擴(kuò)展部分及失穩(wěn)擴(kuò)展部分.實(shí)際上,裂紋處于穩(wěn)定擴(kuò)展?fàn)顟B(tài)的時(shí)間比處于另外兩個(gè)區(qū)的時(shí)要長(zhǎng)得多,對(duì)管材的使用壽命影響最大.在穩(wěn)定擴(kuò)展區(qū),曲線具有良好的線性嘻5-'/日關(guān)系.表2是利用線性回歸方法得到的各種材料的直線方程及相應(yīng)的相關(guān)系數(shù).128高分子材料科學(xué)與工程993年由表2可以看出,試驗(yàn)結(jié)果與法則有較好的一致性.各種材料除外,斜率相差不大,由表2還可看出材料在受到較低應(yīng)力時(shí),其抗裂紋擴(kuò)展能力接近;反之其抗裂紋擴(kuò)展能力有較大區(qū)別,依,,,的順序,其抗裂紋擴(kuò)展能力依次增強(qiáng).曲.2材料的性能與其它材料明顯不同,在比較小的范圍內(nèi)(&;1./31),它的抗裂紋擴(kuò)展能力最強(qiáng);世在^較大的情況下,抗裂紋擴(kuò)展能力比和表現(xiàn)得差造成這種情況的原因可能與聚臺(tái)物的聚合單體有關(guān).例如是乙烯與己烯的共聚物,而為乙烯與丁烯一的共聚物將疲勞試驗(yàn)的結(jié)果與長(zhǎng)期靜水壓試驗(yàn)的結(jié)果相比較,發(fā)現(xiàn)有較好的一致性.例如,材料的強(qiáng)度雖然較高,但在低應(yīng)力下的長(zhǎng)期靜水壓強(qiáng)度不如材料.材料在疲勞試驗(yàn)中表現(xiàn)對(duì)△的變化比較敏感,在長(zhǎng)期靜水壓試驗(yàn)中對(duì)環(huán)向應(yīng)力比較敏感.這也說明材料在不同的應(yīng)力條件下其抗裂紋擴(kuò)展能力有較大的差別.在選用管材時(shí),應(yīng)考慮到管材的使用條件,如壓力,溫度等,使其抗裂紋擴(kuò)展能力處于最佳狀態(tài)下.總之,用疲勞法可以快速地預(yù)測(cè)聚乙烯材料的抗裂紋擴(kuò)展能力,進(jìn)而預(yù)測(cè)其長(zhǎng)期性能.這為不同牌號(hào),不同加工工藝條件的材料之間的比較及設(shè)計(jì)中管材牌號(hào)的選用
