高密度聚乙烯力学性能试验研究

2021-12-30韩鹏飞李映春费毕刚

山西建筑 2021年1期

韩鹏飞李映春费毕刚

(1.国质(北京)建设工程检测鉴定中心，北京 100081； 2.军事科学院国防工程研究院，北京 100036)

高密度聚乙烯，是一种分子结构简单、可塑性强、化学性质稳定、耐腐蚀性好、无毒的高分子聚合物，已广泛用于日常生活、民用工业、军事工业等领域，国内外的一些学者对其力学性能展开了较多研究。Mills等[1]指出聚乙烯是各向同性材料；马赛尔等[2]研究了高密度聚乙烯单轴拉伸力学性能及其本构关系；陈自鹏等[3]对光面和花纹面高密度聚乙烯单轴拉伸性能进行了研究，分析了光面和花纹面对拉伸性能的影响；朱天戈等[4]对几种高分子聚乙烯树脂在高拉伸应变率下的拉伸行为进行了试验，较大的应变率为33.3/s,133.3/s,233.3/s,336.7/s，分析了高应变率下高密度聚乙烯树脂的破坏特性；徐立志等[5]对高密度聚乙烯进行了准静态压缩试验和动态(冲击)压缩试验，较大的应变率为1 454/s,2 551/s和3 204/s，分析了聚乙烯的力学性能，并给出了分段本构模型；熊杰等[6]对高强高模聚乙烯纤维进行了准静态和动态(冲击)拉伸实验,得到了不同温度、不同应变率时纤维束的应力应变曲线，温度为20 ℃～110 ℃，较大应变率为300/s和700/s。

高密度聚乙烯准静态拉伸性能试验大多是在常温条件下进行，对于用于寒冷地区的高密聚乙烯，低温条件下的准静态拉伸力学性能的研究比较少见；对于高密度聚乙烯动态拉伸和压缩条件的相关试验也不多，大多是针对高密度聚乙烯与其他基体材料相结合构成的新材料，另外对同一种高密度聚乙烯的动态拉伸和压缩的试验也很少见相关文献报道。本文主要工作是研究两种低温条件下高密度聚乙烯单轴准静态拉伸性能，和常温高密度聚乙烯不同应变率条件下动态拉伸和压缩力学性能分析。

1 低温拉伸性能试验

高密度聚乙烯常用于金属输油管道的外包裹层，用于保护金属输油管道不受外界环境腐蚀甚或损坏，延长金属输油管道的使用寿命。本文研究的高密度聚乙烯为PE100，常温下弹性模量为1 GPa，拉伸屈服强度为25 MPa，在GB/T 1040.1—2006中，拉伸屈服强度被定义为：出现应力不增加而应变增加时的最初应力[7]。本文所研究的输油管道敷设在我国寒冷地区，敷设管道所处位置冬季常处于0 ℃以下，有时可达到-10 ℃，为了研究高密度聚乙烯在低温下的拉伸性能，并与常温下的相关力学参数进行比较分析，本文选取了两种典型温度，分别是0 ℃和-10 ℃，拉伸速率为500 mm/min，检测依据参照文献[7]。低温拉伸性能试验主要得到了材料的以下力学性能参数：拉伸屈服强度、拉伸屈服应变、拉伸断裂应变和弹性模量，详细数据见表1。从表1中可以看出，试验温度0 ℃时，PE100的拉伸屈服强度平均值为27.34 MPa，试验温度-10 ℃时，PE100的拉伸屈服强度平均值为29.72 MPa，而常温条件下是25 MPa。表1中的试验数据说明，随着温度的降低，PE100的拉伸屈服强度增大，材料的拉伸屈服应变减小，拉伸断裂应变减小，材料的弹性模量反而增大，比常温条件下的弹性模量分别增大了20%和40%多。两种典型温度下，材料的拉伸应力应变关系曲线如图1所示，从图1中不难看出，PE100的拉伸屈服强度与最大拉伸强度相等，随着温度的降低，拉伸屈服强度增大，拉伸屈服应变和拉伸断裂应变都变小，从某种意义上温度的降低使得材料的延性变差。

表1 PE100低温条件下拉伸性能参数

2 动态压缩试验

本次动态(冲击)压缩试验所选设备为φ14.5的分离式Hopkinson压杆，简称SHPB。杆材为钢，入射杆长1 000 mm，透射杆长1 000 mm；子弹长度有300 mm和200 mm两种。除应变率为4 900/s的试验数据是在200 mm长子弹的冲击下获得的，其他均采用300 mm的子弹。通过粘贴在入射杆和透射杆上的应变片测得入射、反射和透射信号。为避免试验过程中因应变片失效而漏记信号，所以在入射杆和透射杆上各粘贴了两组应变片；为消除入射波的高频振荡，也为了试样能尽早进入均匀状态，满足SHPB均匀性假定，采用小的橡胶垫片整形。图2为入射杆和透射杆上各两组应变片测得的入射和透射典型波形。入射杆上两组应变片离撞击端的距离分别为225 mm和285 mm；透射杆上两组应变片分别离试样和透射杆接触端的距离为320 mm和420 mm。从图2中可以看出，两组信号的对比验证说明输出信号稳定可信，计算应力应变曲线可从入射杆和透射杆上各取一组信号即可。为了验证试验结果的重复性，本文选取了应变率为4 300/s的三组试验结果来进行对比分析，具体应力应变曲线如图3所示。通过图3可以看出，三组试验结果及其平均值非常接近，从而证明动态压缩试验结果重复性很好。

对所提供的试样，在不同的弹速下，进行了一系列试验，本次冲击压缩试验共有8组应变率，分别为：400/s，1 050/s，1 500/s，2 000/s，2 700/s，3 300/s，4 300/s，4 900/s，所得的工程应力应变曲线如图4所示。由图4可得，应变率越高，材料的流动应力越大，说明该聚乙烯材料的力学性能具有一定的应变率敏感性。从应力应变曲线的形状来看，该聚乙烯在某一应力达到前，应力应变关系可近似为一条直线，在达到某一应力后，应力应变关系仍可近似为一条直线，不过直线的斜率明显下降，这种曲线形状较为符合弹塑性材料的应力应变关系，某应力前后分别是弹性阶段和塑性阶段，但无明显的“屈服点”，为了便于讨论分析，本文将两阶段(弹性阶段和塑性阶段)直线外推的交点对应的应力作为名义屈服应力，对应的应变作为名义屈服应变，具体方法见文献[8]。这几种工况的名义屈服应力、名义屈服应变，以及弹性模量列于表2。通过表2可以看出，随着应变率的不断增大，名义屈服应力不断增大，名义屈服应变不断减小，弹性模量不断增大，为了分析名义屈服应变与应变率的关系，本文进行了回归分析，得到名义屈服应力q与应变率x的回归公式如式(1)所示，相关系数为0.98。

q=0.003 34x+25.178 12

(1)

式(1)说明名义屈服应力与应变率近似成线性关系，即随着应变率的增大，名义屈服应力线性增大；另外，弹性模量z与应变率x的回归公式如式(2)所示，相关系数为0.96。

z=0.428 8+0.001 59x-
8.622 92×10-7x2+1.498 17×10-10x3

(2)

表2 不同应变率压缩条件下高密度聚乙烯力学参数

拉伸应变率/s-1名义压缩屈服应变/%名义压缩屈服强度/MPa弹性模量/GPa4 9000.7741.025.334 3001.3939.172.833 3001.9336.361.882 7002.3834.901.472 0002.3132.341.401 5002.3731.231.321 0502.4928.171.134002.4325.491.05

3 动态拉伸试验

本文动态(冲击)拉伸试验所选设备为分离Hopkinson拉杆，采用的是撞管型拉杆，应变片粘贴在距离加载点700 mm处。根据试验要求，将应变片、动态应变仪、波形存储器和计算机连接组成测试和存储系统，调节并确定所使用通道的放大倍数。每次试验前，均要检查应变片的粘贴状态、动态应变仪和波形存储装置的线路连接，以及波导杆间的同轴情况，确保系统状态满足试验要求。由于测试过程中透射信号非常小，测量过程中采用了半导体应变片，同时前端增加了放大设备，放大倍数为10。因此透射信号都被放大了10倍。图5给出了典型的入射波和透射波的原始信号，应变率分别为688/s和1 736/s。从图5中可以看到，入射波和反射波以及透射波的信号都非常好，干扰很小，以此得出的试验结果是可信的。当应变率增加后，由于入射载荷的增加会造成试验件出现颈缩现象，使得材料进入塑性阶段。图6给出了不同应变率下的工程应力—应变曲线，应变率分别为688/s，992/s，1 736/s，2 334/s，3 086/s。表3给出了不同应变率拉伸条件下高密度聚乙烯力学参数，包括动态拉伸屈服应变，动态拉伸屈服强度和弹性模量，弹性模量取初始切线模量。由图6和表3可以看出，随着应变率的增大，拉伸屈服强度和弹性模量逐渐增大，拉伸屈服应变在总体上有减小的趋势。本文进行回归分析，得到拉伸屈服强度y与应变率x的关系如式(3)所示，相关系数为0.96。

y=0.010 11x+16.347 05

(3)

式(3)说明屈服应力与应变率近似成线性关系，即随着应变率的增大，屈服应力线性增大；另外，弹性模量z与应变率x的回归公式如式(4)所示，相关系数为0.96。

z=0.700 89+0.001 03x-
6.320 76×10-7x2+1.431 79×10-10x3

(4)

对比表2和表3，不难看出，动态拉伸屈服应变比动态压缩名义屈服应变大得多，主要原因是两种应变的定义不同，动态拉伸屈服应变是指出现应力不增加而应变增加时的最初应力对应的应变，动态压缩名义屈服应变是弹性阶段和塑性阶段直线外推交点对应的应变，由图4可知材料虽然达到屈服，但是屈服后应力仍旧随着应变的增大而增大，材料在达到很大的应变时也未破坏，由图6得动态拉伸屈服强度与最大动态拉伸强度一致。由表2和表3可以看出，动态压缩和拉伸条件下，不同应变率所对应的压缩名义屈服强度和动态拉伸屈服强度在大小上差别不大，式(2)，式(4)的相近性也说明了这一点，弹性模量也较为接近。