韓鵬飛 李映春 費(fèi)畢剛

(1.國(guó)質(zhì)(北京)建設(shè)工程檢測(cè)鑒定中心，北京 100081； 2.軍事科學(xué)院國(guó)防工程研究院，北京 100036)

高密度聚乙烯，是一種分子結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可塑性強(qiáng)、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、耐腐蝕性好、無(wú)毒的高分子聚合物，已廣泛用于日常生活、民用工業(yè)、軍事工業(yè)等領(lǐng)域，國(guó)內(nèi)外的一些學(xué)者對(duì)其力學(xué)性能展開(kāi)了較多研究。Mills等[1]指出聚乙烯是各向同性材料；馬賽爾等[2]研究了高密度聚乙烯單軸拉伸力學(xué)性能及其本構(gòu)關(guān)系；陳自鵬等[3]對(duì)光面和花紋面高密度聚乙烯單軸拉伸性能進(jìn)行了研究，分析了光面和花紋面對(duì)拉伸性能的影響；朱天戈等[4]對(duì)幾種高分子聚乙烯樹(shù)脂在高拉伸應(yīng)變率下的拉伸行為進(jìn)行了試驗(yàn)，較大的應(yīng)變率為33.3/s,133.3/s,233.3/s,336.7/s，分析了高應(yīng)變率下高密度聚乙烯樹(shù)脂的破壞特性；徐立志等[5]對(duì)高密度聚乙烯進(jìn)行了準(zhǔn)靜態(tài)壓縮試驗(yàn)和動(dòng)態(tài)(沖擊)壓縮試驗(yàn)，較大的應(yīng)變率為1 454/s,2 551/s和3 204/s，分析了聚乙烯的力學(xué)性能，并給出了分段本構(gòu)模型；熊杰等[6]對(duì)高強(qiáng)高模聚乙烯纖維進(jìn)行了準(zhǔn)靜態(tài)和動(dòng)態(tài)(沖擊)拉伸實(shí)驗(yàn),得到了不同溫度、不同應(yīng)變率時(shí)纖維束的應(yīng)力應(yīng)變曲線，溫度為20 ℃～110 ℃，較大應(yīng)變率為300/s和700/s。

高密度聚乙烯準(zhǔn)靜態(tài)拉伸性能試驗(yàn)大多是在常溫條件下進(jìn)行，對(duì)于用于寒冷地區(qū)的高密聚乙烯，低溫條件下的準(zhǔn)靜態(tài)拉伸力學(xué)性能的研究比較少見(jiàn)；對(duì)于高密度聚乙烯動(dòng)態(tài)拉伸和壓縮條件的相關(guān)試驗(yàn)也不多，大多是針對(duì)高密度聚乙烯與其他基體材料相結(jié)合構(gòu)成的新材料，另外對(duì)同一種高密度聚乙烯的動(dòng)態(tài)拉伸和壓縮的試驗(yàn)也很少見(jiàn)相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道。本文主要工作是研究?jī)煞N低溫條件下高密度聚乙烯單軸準(zhǔn)靜態(tài)拉伸性能，和常溫高密度聚乙烯不同應(yīng)變率條件下動(dòng)態(tài)拉伸和壓縮力學(xué)性能分析。

1 低溫拉伸性能試驗(yàn)

高密度聚乙烯常用于金屬輸油管道的外包裹層，用于保護(hù)金屬輸油管道不受外界環(huán)境腐蝕甚或損壞，延長(zhǎng)金屬輸油管道的使用壽命。本文研究的高密度聚乙烯為PE100，常溫下彈性模量為1 GPa，拉伸屈服強(qiáng)度為25 MPa，在GB/T 1040.1—2006中，拉伸屈服強(qiáng)度被定義為：出現(xiàn)應(yīng)力不增加而應(yīng)變?cè)黾訒r(shí)的最初應(yīng)力[7]。本文所研究的輸油管道敷設(shè)在我國(guó)寒冷地區(qū)，敷設(shè)管道所處位置冬季常處于0 ℃以下，有時(shí)可達(dá)到-10 ℃，為了研究高密度聚乙烯在低溫下的拉伸性能，并與常溫下的相關(guān)力學(xué)參數(shù)進(jìn)行比較分析，本文選取了兩種典型溫度，分別是0 ℃和-10 ℃，拉伸速率為500 mm/min，檢測(cè)依據(jù)參照文獻(xiàn)[7]。低溫拉伸性能試驗(yàn)主要得到了材料的以下力學(xué)性能參數(shù)：拉伸屈服強(qiáng)度、拉伸屈服應(yīng)變、拉伸斷裂應(yīng)變和彈性模量，詳細(xì)數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。從表1中可以看出，試驗(yàn)溫度0 ℃時(shí)，PE100的拉伸屈服強(qiáng)度平均值為27.34 MPa，試驗(yàn)溫度-10 ℃時(shí)，PE100的拉伸屈服強(qiáng)度平均值為29.72 MPa，而常溫條件下是25 MPa。表1中的試驗(yàn)數(shù)據(jù)說(shuō)明，隨著溫度的降低，PE100的拉伸屈服強(qiáng)度增大，材料的拉伸屈服應(yīng)變減小，拉伸斷裂應(yīng)變減小，材料的彈性模量反而增大，比常溫條件下的彈性模量分別增大了20%和40%多。兩種典型溫度下，材料的拉伸應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線如圖1所示，從圖1中不難看出，PE100的拉伸屈服強(qiáng)度與最大拉伸強(qiáng)度相等，隨著溫度的降低，拉伸屈服強(qiáng)度增大，拉伸屈服應(yīng)變和拉伸斷裂應(yīng)變都變小，從某種意義上溫度的降低使得材料的延性變差。

表1 PE100低溫條件下拉伸性能參數(shù)

2 動(dòng)態(tài)壓縮試驗(yàn)

本次動(dòng)態(tài)(沖擊)壓縮試驗(yàn)所選設(shè)備為φ14.5的分離式Hopkinson壓桿，簡(jiǎn)稱SHPB。桿材為鋼，入射桿長(zhǎng)1 000 mm，透射桿長(zhǎng)1 000 mm；子彈長(zhǎng)度有300 mm和200 mm兩種。除應(yīng)變率為4 900/s的試驗(yàn)數(shù)據(jù)是在200 mm長(zhǎng)子彈的沖擊下獲得的，其他均采用300 mm的子彈。通過(guò)粘貼在入射桿和透射桿上的應(yīng)變片測(cè)得入射、反射和透射信號(hào)。為避免試驗(yàn)過(guò)程中因應(yīng)變片失效而漏記信號(hào)，所以在入射桿和透射桿上各粘貼了兩組應(yīng)變片；為消除入射波的高頻振蕩，也為了試樣能盡早進(jìn)入均勻狀態(tài)，滿足SHPB均勻性假定，采用小的橡膠墊片整形。圖2為入射桿和透射桿上各兩組應(yīng)變片測(cè)得的入射和透射典型波形。入射桿上兩組應(yīng)變片離撞擊端的距離分別為225 mm和285 mm；透射桿上兩組應(yīng)變片分別離試樣和透射桿接觸端的距離為320 mm和420 mm。從圖2中可以看出，兩組信號(hào)的對(duì)比驗(yàn)證說(shuō)明輸出信號(hào)穩(wěn)定可信，計(jì)算應(yīng)力應(yīng)變曲線可從入射桿和透射桿上各取一組信號(hào)即可。為了驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果的重復(fù)性，本文選取了應(yīng)變率為4 300/s的三組試驗(yàn)結(jié)果來(lái)進(jìn)行對(duì)比分析，具體應(yīng)力應(yīng)變曲線如圖3所示。通過(guò)圖3可以看出，三組試驗(yàn)結(jié)果及其平均值非常接近，從而證明動(dòng)態(tài)壓縮試驗(yàn)結(jié)果重復(fù)性很好。

對(duì)所提供的試樣，在不同的彈速下，進(jìn)行了一系列試驗(yàn)，本次沖擊壓縮試驗(yàn)共有8組應(yīng)變率，分別為：400/s，1 050/s，1 500/s，2 000/s，2 700/s，3 300/s，4 300/s，4 900/s，所得的工程應(yīng)力應(yīng)變曲線如圖4所示。由圖4可得，應(yīng)變率越高，材料的流動(dòng)應(yīng)力越大，說(shuō)明該聚乙烯材料的力學(xué)性能具有一定的應(yīng)變率敏感性。從應(yīng)力應(yīng)變曲線的形狀來(lái)看，該聚乙烯在某一應(yīng)力達(dá)到前，應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系可近似為一條直線，在達(dá)到某一應(yīng)力后，應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系仍可近似為一條直線，不過(guò)直線的斜率明顯下降，這種曲線形狀較為符合彈塑性材料的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系，某應(yīng)力前后分別是彈性階段和塑性階段，但無(wú)明顯的“屈服點(diǎn)”，為了便于討論分析，本文將兩階段(彈性階段和塑性階段)直線外推的交點(diǎn)對(duì)應(yīng)的應(yīng)力作為名義屈服應(yīng)力，對(duì)應(yīng)的應(yīng)變作為名義屈服應(yīng)變，具體方法見(jiàn)文獻(xiàn)[8]。這幾種工況的名義屈服應(yīng)力、名義屈服應(yīng)變，以及彈性模量列于表2。通過(guò)表2可以看出，隨著應(yīng)變率的不斷增大，名義屈服應(yīng)力不斷增大，名義屈服應(yīng)變不斷減小，彈性模量不斷增大，為了分析名義屈服應(yīng)變與應(yīng)變率的關(guān)系，本文進(jìn)行了回歸分析，得到名義屈服應(yīng)力q與應(yīng)變率x的回歸公式如式(1)所示，相關(guān)系數(shù)為0.98。

q=0.003 34x+25.178 12

(1)

式(1)說(shuō)明名義屈服應(yīng)力與應(yīng)變率近似成線性關(guān)系，即隨著應(yīng)變率的增大，名義屈服應(yīng)力線性增大；另外，彈性模量z與應(yīng)變率x的回歸公式如式(2)所示，相關(guān)系數(shù)為0.96。

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

(2)

表2 不同應(yīng)變率壓縮條件下高密度聚乙烯力學(xué)參數(shù)

拉伸應(yīng)變率/s-1名義壓縮屈服應(yīng)變/%名義壓縮屈服強(qiáng)度/MPa彈性模量/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 動(dòng)態(tài)拉伸試驗(yàn)

本文動(dòng)態(tài)(沖擊)拉伸試驗(yàn)所選設(shè)備為分離Hopkinson拉桿，采用的是撞管型拉桿，應(yīng)變片粘貼在距離加載點(diǎn)700 mm處。根據(jù)試驗(yàn)要求，將應(yīng)變片、動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀、波形存儲(chǔ)器和計(jì)算機(jī)連接組成測(cè)試和存儲(chǔ)系統(tǒng)，調(diào)節(jié)并確定所使用通道的放大倍數(shù)。每次試驗(yàn)前，均要檢查應(yīng)變片的粘貼狀態(tài)、動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀和波形存儲(chǔ)裝置的線路連接，以及波導(dǎo)桿間的同軸情況，確保系統(tǒng)狀態(tài)滿足試驗(yàn)要求。由于測(cè)試過(guò)程中透射信號(hào)非常小，測(cè)量過(guò)程中采用了半導(dǎo)體應(yīng)變片，同時(shí)前端增加了放大設(shè)備，放大倍數(shù)為10。因此透射信號(hào)都被放大了10倍。圖5給出了典型的入射波和透射波的原始信號(hào)，應(yīng)變率分別為688/s和1 736/s。從圖5中可以看到，入射波和反射波以及透射波的信號(hào)都非常好，干擾很小，以此得出的試驗(yàn)結(jié)果是可信的。當(dāng)應(yīng)變率增加后，由于入射載荷的增加會(huì)造成試驗(yàn)件出現(xiàn)頸縮現(xiàn)象，使得材料進(jìn)入塑性階段。圖6給出了不同應(yīng)變率下的工程應(yīng)力—應(yīng)變曲線，應(yīng)變率分別為688/s，992/s，1 736/s，2 334/s，3 086/s。表3給出了不同應(yīng)變率拉伸條件下高密度聚乙烯力學(xué)參數(shù)，包括動(dòng)態(tài)拉伸屈服應(yīng)變，動(dòng)態(tài)拉伸屈服強(qiáng)度和彈性模量，彈性模量取初始切線模量。由圖6和表3可以看出，隨著應(yīng)變率的增大，拉伸屈服強(qiáng)度和彈性模量逐漸增大，拉伸屈服應(yīng)變?cè)诳傮w上有減小的趨勢(shì)。本文進(jìn)行回歸分析，得到拉伸屈服強(qiáng)度y與應(yīng)變率x的關(guān)系如式(3)所示，相關(guān)系數(shù)為0.96。

y=0.010 11x+16.347 05

(3)

式(3)說(shuō)明屈服應(yīng)力與應(yīng)變率近似成線性關(guān)系，即隨著應(yīng)變率的增大，屈服應(yīng)力線性增大；另外，彈性模量z與應(yīng)變率x的回歸公式如式(4)所示，相關(guān)系數(shù)為0.96。

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

(4)

對(duì)比表2和表3，不難看出，動(dòng)態(tài)拉伸屈服應(yīng)變比動(dòng)態(tài)壓縮名義屈服應(yīng)變大得多，主要原因是兩種應(yīng)變的定義不同，動(dòng)態(tài)拉伸屈服應(yīng)變是指出現(xiàn)應(yīng)力不增加而應(yīng)變?cè)黾訒r(shí)的最初應(yīng)力對(duì)應(yīng)的應(yīng)變，動(dòng)態(tài)壓縮名義屈服應(yīng)變是彈性階段和塑性階段直線外推交點(diǎn)對(duì)應(yīng)的應(yīng)變，由圖4可知材料雖然達(dá)到屈服，但是屈服后應(yīng)力仍舊隨著應(yīng)變的增大而增大，材料在達(dá)到很大的應(yīng)變時(shí)也未破壞，由圖6得動(dòng)態(tài)拉伸屈服強(qiáng)度與最大動(dòng)態(tài)拉伸強(qiáng)度一致。由表2和表3可以看出，動(dòng)態(tài)壓縮和拉伸條件下，不同應(yīng)變率所對(duì)應(yīng)的壓縮名義屈服強(qiáng)度和動(dòng)態(tài)拉伸屈服強(qiáng)度在大小上差別不大，式(2)，式(4)的相近性也說(shuō)明了這一點(diǎn)，彈性模量也較為接近。

表3 不同應(yīng)變率拉伸條件下高密度聚乙烯力學(xué)參數(shù)

拉伸應(yīng)變率/s-1拉伸屈服應(yīng)變/%拉伸屈服強(qiáng)度/MPa彈性模量/GPa3 0862.6645.762.082 3344.1941.521.461 7364.6135.291.389929.9427.001.206887.7421.471.18

4 結(jié)論和展望

1)兩種典型低溫下，PE100的拉伸屈服強(qiáng)度與最大拉伸強(qiáng)度相等，隨著溫度的降低，PE100的拉伸屈服強(qiáng)度增大，彈性模量增大，拉伸屈服應(yīng)變減小，拉伸斷裂應(yīng)變減小，溫度的降低使得材料的延性變差。

2)對(duì)于動(dòng)態(tài)壓縮試驗(yàn)，隨著應(yīng)變率的增大，壓縮名義屈服應(yīng)力線性增大，壓縮名義屈服應(yīng)變總體上減小，彈性模量逐漸增大，與應(yīng)變率呈三次多項(xiàng)式的關(guān)系。

3)對(duì)于動(dòng)態(tài)拉伸試驗(yàn)，隨著應(yīng)變率的增大，拉伸屈服強(qiáng)度線性增大，拉伸屈服應(yīng)變?cè)诳傮w上有減小的趨勢(shì)，彈性模量逐漸增大，與應(yīng)變率呈三次多項(xiàng)式的關(guān)系。

4)動(dòng)態(tài)壓縮和拉伸條件下，不同應(yīng)變率所獲得的壓縮名義屈服強(qiáng)度和動(dòng)態(tài)拉伸屈服強(qiáng)度在大小上差別不大，彈性模量也較為接近。

5)低溫條件和應(yīng)變率聯(lián)合作用下對(duì)高密度聚乙烯力學(xué)性能的影響，需在下一步深入研究。