聚乙烯塑料管材埋在地下寿命能达到五十年吗?能达到50年。用疲劳方法预测聚乙烯管材抗慢速,一1裂纹扩展能力-王丝趱(匕工部北京匕工研究院,北京,100080)7[?/'2摘要本文用疲劳断襞力学方法对襞乙烯管村进行了抗疲劳裂垃扩展能力的研究.从而培出了一种快速预测这些材抖长期使用性能的新方珐.关键词墨至!壁一雩:缝?应力强度因子.接一般的设计要求+聚乙烯燃气管的使用寿命应大于五十年也即是说,管材在正常使用的条件下+五十年内不发生破坏对管材专用料生产厂家和用户来说,有两个问韪需要解决:(1)材料的长期性能何;(2)种不同牌号的专用料哪一种有较好的长期性能.聚乙烯管材长期使用下的破坏,实际上是一个慢速脆性裂纹扩展过程.任何管材在加工过程或施工中都会造成忉始的缺陷即裂纹,在一定的应力作用下,裂纹开始增长+最终导致管材的破坏.因此,管材长期杼陛的好坏可由其抗裂纹扩展能力来决定.长期静水压及恒定负荷的'慢速拉伸已经可以预测高密度聚乙烯管材的长期寿命.但对于中密度聚乙烯管材而言+静水压试验所需时间太长,而恒负荷试验又难以使佯品形成稳定的脆性裂纹扩展.近年来,国外报道了用疲劳断裂力学方法评价聚乙烯材料的特性[1].当给样品施加低于材料强度的循环应力时.可以形成慢速稳定的脆性裂纹且沿着预制裂纹方向扩展,扩展速率除与裂纹尖端处应力分有关外主要取决于材料本身的特性.据此我们可以预测聚乙烯管材的期使用性能-实验部分所选材料的基夺情况见表.样品:样品取白嫫压的片材.压片条件为模捱尺寸:5厚;模压温度:175;预热时收倩日期;199:一31一5::];:第3期王欣等:用疲劳方法珂测聚己烯管村抗慢速裂纹扩展能力间:10;压制时间:7;模压压力:;冷却时间:10;冷却压力:15.样品的几阿尺寸如图1一一/疲劳试验:用70振动疲劳试验机进行单轴一,兰=二二二:.匕=::::]拉伸疲劳试验,条件为单轴拉伸.,正弦波…温:.度:'频率:30"最大负荷:7.5;最小负;荷:0.3;应力强度因子振幅范围:0.5～…～.2一/.裂纹扩展的过程用读数显做镜观:一.;:察,记录其裂纹长度"与振动次数"的关系.描绘:50,5.曲线,进而推出裂纹增长速率/血与对应的应力强度因子振幅-的关系.2结果与讨论图2和图3为典型的裂纹扩展过程的照片,其中图2中(1)部分光滑平整,是预制裂纹部分,(2)部分是脆性裂纹扩展部分;图3为慢速裂纹扩展过程的照片.图为不同材料的霄曲线,由.这些曲线可得到不同材料的曲/血.根据断裂力学中单边裂纹平板试样的应力强度因子计赞方法/—1.12—0.23(/)+10.6(/一21.7(/).+30—4(/)'雷日嗍晰0随-0.3.1呻0'鲫嗽卧廿?删呻忡帅眦坞()式中=()而为应力强度因子,计箅出应力强度因子振幅△=‰一瓜再根据&;法则.山/血一或/血=+\绘出一/图,如图5所示.由图可以看出,在山/血一^的双对数坐标中曲线分为三部分,即开始扩展部分,稳定扩展部分及失稳扩展部分.实际上,裂纹处于稳定扩展状态的时间比处于另外两个区的时要长得多,对管材的使用寿命影响最大.在稳定扩展区,曲线具有良好的线性嘻5-'/日关系.表2是利用线性回归方法得到的各种材料的直线方程及相应的相关系数.128高分子材料科学与工程993年由表2可以看出,试验结果与法则有较好的一致性.各种材料除外,斜率相差不大,由表2还可看出材料在受到较低应力时,其抗裂纹扩展能力接近;反之其抗裂纹扩展能力有较大区别,依,,,的顺序,其抗裂纹扩展能力依次增强.曲.2材料的性能与其它材料明显不同,在比较小的范围内(&;1./31),它的抗裂纹扩展能力最强;世在^较大的情况下,抗裂纹扩展能力比和表现得差造成这种情况的原因可能与聚台物的聚合单体有关.例如是乙烯与己烯的共聚物,而为乙烯与丁烯一的共聚物将疲劳试验的结果与长期静水压试验的结果相比较,发现有较好的一致性.例如,材料的强度虽然较高,但在低应力下的长期静水压强度不如材料.材料在疲劳试验中表现对△的变化比较敏感,在长期静水压试验中对环向应力比较敏感.这也说明材料在不同的应力条件下其抗裂纹扩展能力有较大的差别.在选用管材时,应考虑到管材的使用条件,如压力,温度等,使其抗裂纹扩展能力处于最佳状态下.总之,用疲劳法可以快速地预测聚乙烯材料的抗裂纹扩展能力,进而预测其长期性能.这为不同牌号,不同加工工艺条件的材料之间的比较及设计中管材牌号的选用
