聚乙烯塑料管材埋在地下壽命能達到五十年嗎?能達到50年。用疲勞方法預測聚乙烯管材抗慢速,一1裂紋擴展能力-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方法對襞乙烯管村進行了抗疲勞裂垃擴展能力的研究.從而培出了一種快速預測這些材抖長期使用性能的新方琺.關鍵詞墨至!壁一雩:縫?應力強度因子.接一般的設計要求+聚乙烯燃氣管的使用壽命應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)生破壞對管材專用料生產(chǎn)廠家和用戶來說,有兩個問韙需要解決:(1)材料的長期性能何;(2)種不同牌號的專用料哪一種有較好的長期性能.聚乙烯管材長期使用下的破壞,實際上是一個慢速脆性裂紋擴展過程.任何管材在加工過程或施工中都會造成忉始的缺陷即裂紋,在一定的應力作用下,裂紋開始增長+最終導致管材的破壞.因此,管材長期杼陛的好壞可由其抗裂紋擴展能力來決定.長期靜水壓及恒定負荷的'慢速拉伸已經(jīng)可以預測高密度聚乙烯管材的長期壽命.但對于中密度聚乙烯管材而言+靜水壓試驗所需時間太長,而恒負荷試驗又難以使佯品形成穩(wěn)定的脆性裂紋擴展.近年來,國外報道了用疲勞斷裂力學方法評價聚乙烯材料的特性[1].當給樣品施加低于材料強度的循環(huán)應力時.可以形成慢速穩(wěn)定的脆性裂紋且沿著預制裂紋方向擴展,擴展速率除與裂紋尖端處應力分有關外主要取決于材料本身的特性.據(jù)此我們可以預測聚乙烯管材的期使用性能-實驗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;預熱時收倩日期;199:一31一5::];:第3期王欣等:用疲勞方法珂測聚己烯管村抗慢速裂紋擴展能力間:10;壓制時間:7;模壓壓力:;冷卻時間:10;冷卻壓力:15.樣品的幾阿尺寸如圖1一一/疲勞試驗:用70振動疲勞試驗機進行單軸一,蘭=二二二:.匕=::::]拉伸疲勞試驗,條件為單軸拉伸.,正弦波…溫:.度:'頻率:30"最大負荷:7.5;最小負;荷:0.3;應力強度因子振幅范圍:0.5～…～.2一/.裂紋擴展的過程用讀數(shù)顯做鏡觀:一.;:察,記錄其裂紋長度"與振動次數(shù)"的關系.描繪:50,5.曲線,進而推出裂紋增長速率/血與對應的應力強度因子振幅-的關系.2結果與討論圖2和圖3為典型的裂紋擴展過程的照片,其中圖2中(1)部分光滑平整,是預制裂紋部分,(2)部分是脆性裂紋擴展部分;圖3為慢速裂紋擴展過程的照片.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)斷裂力學中單邊裂紋平板試樣的應力強度因子計贊方法/—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=()而為應力強度因子,計箅出應力強度因子振幅△=‰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^的雙對數(shù)坐標中曲線分為三部分,即開始擴展部分,穩(wěn)定擴展部分及失穩(wěn)擴展部分.實際上,裂紋處于穩(wěn)定擴展狀態(tài)的時間比處于另外兩個區(qū)的時要長得多,對管材的使用壽命影響最大.在穩(wěn)定擴展區(qū),曲線具有良好的線性嘻5-'/日關系.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的相關系數(shù).128高分子材料科學與工程993年由表2可以看出,試驗結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力時,其抗裂紋擴展能力接近;反之其抗裂紋擴展能力有較大區(qū)別,依,,,的順序,其抗裂紋擴展能力依次增強.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),它的抗裂紋擴展能力最強;世在^較大的情況下,抗裂紋擴展能力比和表現(xiàn)得差造成這種情況的原因可能與聚臺物的聚合單體有關.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的結果與長期靜水壓試驗的結果相比較,發(fā)現(xiàn)有較好的一致性.例如,材料的強度雖然較高,但在低應力下的長期靜水壓強度不如材料.材料在疲勞試驗中表現(xiàn)對△的變化比較敏感,在長期靜水壓試驗中對環(huán)向應力比較敏感.這也說明材料在不同的應力條件下其抗裂紋擴展能力有較大的差別.在選用管材時,應考慮到管材的使用條件,如壓力,溫度等,使其抗裂紋擴展能力處于最佳狀態(tài)下.總之,用疲勞法可以快速地預測聚乙烯材料的抗裂紋擴展能力,進而預測其長期性能.這為不同牌號,不同加工工藝條件的材料之間的比較及設計中管材牌號的選用
