PE100管的室溫單軸應變循環行為與棘輪效應

尹軍軍，富 陽，董俊華，高炳軍

(1. 河北工業大學化工學院， 天津 300130； 2. 廣東省特種設備檢測研究院中山檢測院， 中山 528400)

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PE100管的室溫單軸應變循環行為與棘輪效應

尹軍軍1，富 陽2，董俊華1，高炳軍1

(1. 河北工業大學化工學院， 天津 300130； 2. 廣東省特種設備檢測研究院中山檢測院， 中山 528400)

摘要：在室溫下對聚乙烯(PE100)管分別進行了單軸拉伸試驗、扭轉對稱應變循環試驗和單軸棘輪效應試驗，探討了不同應變速率下PE管的應力-應變響應，分析了循環應變幅、應變幅歷史對應變循環特性的影響以及均值應力和幅值應力及其加載歷史對PE100管棘輪變形的影響。結果表明：PE100是一種率相關循環軟化材料，無論應變循環特性還是單軸棘輪行為，兩者都強烈依賴于當前的載荷條件和既往加載歷史；PE100管存在產生循環硬化的對稱扭轉應變幅閾值，其值為5%，當PE100管經歷大于該閾值的循環后再經歷后續小應變幅循環時會發生一定程度的硬化，但靜置后這種硬化現象又會消失，表現出時效恢復特性。

關鍵詞：聚乙烯管；應變循環；棘輪效應；應變幅

0引言

聚乙烯(PE，Polyethylene)管具有質輕價廉、抗沖擊性好、抗應力開裂性好、耐腐蝕性優越、連接安全可靠、水流阻力小、使用壽命長等諸多優點，廣泛應用于生活給排水和城鎮燃氣輸送工程中。由于PE管在服役期間需要埋在地下，直接或者間接作用在管道上的載荷既有恒載又有動載，恒載主要有管道自重、覆土載荷和流體重力，動載主要有車輛載荷、地面堆載、溫度載荷、管道內壓、上浮載荷和地震載荷等，其服役期間的應力狀態很復雜，因此有必要對其進行應變控制和應力控制的循環塑性試驗研究，以考察材料的變形與失效行為。

棘輪效應是材料或者結構在非對稱應力循環載荷作用下產生的一種塑性變形累積的現象。棘輪效應對承受非對稱應力循環載荷下的工程材料或結構的安全性和壽命評估是非常重要的[1]，比如快中子增殖堆燃料元件、核電站壓力容器及管道等。現有棘輪效應的試驗研究[2-4]及本構模型[5]主要圍繞金屬材料，針對非金屬材料棘輪效應的試驗研究[6-7]和本構模型[8-9]相對較少。PE管在循環載荷作用下，會由于棘輪應變的累積而破壞。為此，作者對PE100管材進行了單軸拉伸、扭轉對稱應變循環和單軸棘輪效應試驗研究，探討了此類材料的循環塑性行為。

1試樣制備與試驗方法

試驗材料采用河北某聯塑生產基地提供的PE100-SDR11管材，規格為φ20 mm×2.3 mm，其主要成分為聚乙烯及約2%(質量分數)的炭黑和少量的顏料。利用管材切割工具截取試樣，其長度為120 mm，標距段長度為50 mm。夾持試樣時為了防止夾持端變形，在試樣兩端塞入不銹鋼堵頭。

參照GB/T 10128-2007和GB/T 12443-2007，采用EUM-25K20型電子萬能多軸疲勞試驗機在室溫下對試樣分別進行單軸拉伸試驗、扭轉對稱應變循環試驗和單軸棘輪效應試驗，通過CARE_CONTROLLER_2000型反饋控制系統實現載荷、位移和應變等多通道的全數字閉環控制以及全程數據采集，應變由上作動器的位移值間接算得，應力由試驗過程中記錄的載荷值求取。加載工況分成獨立加載和多級加載兩種：獨立加載工況下，試樣只接受了一個工況的循環加載；多級加載工況下，試樣依次接受多個工況的循環加載。

單軸棘輪效應試驗中，控制應力速率為7MPa·s-1，定義的棘輪應變和棘輪應變速率為：

(1)

(2)

棘輪應變獨立加載條件及多級加載條件見表1和表2，表中σm為平均應力，σa為應力幅值。多級加載工況下，每個工況各循環50周次。

表1　單軸棘輪試驗加載條件

表2　單軸棘輪試驗平均應力和應力幅值多級加載條件

2試驗結果與討論

2.1　單軸拉伸性能

由圖1可知，PE100是一種率相關材料，其彈性模量和屈服強度隨著應變速率的增加而增加。PE100是一種高密度聚乙烯材料，屬于半結晶聚合物，也是一種粘彈性材料，在其拉伸的過程中，會有應力松弛的現象產生，應變速率越大則拉伸速度越快，相對的應力松弛時間就越短，產生的應力減少量也就越小，結果表現為應力響應的增大。

圖1　不同應變速率下PE100管的單軸拉伸曲線Fig.1　Uniaxial tensile curves of PE100 pipe at different strain rate

2.2　單軸對稱扭轉應變循環行為

2.2.1獨立加載工況下τa-N曲線

扭轉循環應力幅大小的變化反映了材料的循環軟硬化的特性。由圖2可見，三種應變幅值下，剪切應力幅(τa)隨著循環周次的增加而降低，說明試樣發生了明顯的循環軟化行為，并且軟化程度(軟化率)隨著扭轉應變幅的增加而增大。由此可見，PE100是一種循環軟化材料。

圖2　不同剪應變幅值下PE100管的τa-N曲線Fig.2　τa-N curves of PE100 pipe at different shear strain amplitudes

2.2.2多級加載工況下τa-N曲線

由圖3可見，經過±10%的應變幅循環后，試樣在后續的±7%和±5%應變幅循環下的剪切應力幅相對下降，并在其循環周期內隨著循環周次的增加而升高，表現出了循環硬化特性。這可能是由于試樣在較大的應變幅值循環下，結構中較弱分子鏈發生了斷裂，使高分子結構遭到破壞，同時結構中活躍的分子體元重新取向促使新晶體的形成，起到增強的作用[10]。

圖3　多級加載工況下PE100管的τa-N關系曲線Fig.3　τa-N curves of PE100 pipe under multilevel loading condition

2.2.3加載歷史及靜置時間對τa-N曲線的影響

由圖4可知，在兩級循環加載試驗中存在一個扭轉應變幅值的閾值，只有前期在經歷了大于或等于該閾值的應變幅循環后，后續較小的應變幅循環才會出現循環硬化特性。而小于這個值，后續較低應變幅值的扭轉循環試驗其剪切應力幅值保持不變，即出現循環穩定現象。PE100發生循環硬化特性的閾值約為5%。

圖4　不同加載歷史下PE100管的τa-N關系曲線Fig.4　τa-N curves of PE100 pipe at different loading histories

由圖5可知，前期在經歷了10%的應變循環后，將試樣擱置一段時間再進行下一個較小應變幅循環，會出現與獨立工況下扭轉對稱循環試驗相同的結果。在后續較小的應變幅循環作用下仍會出現循環軟化現象，循環硬化特性消失，表明PE100具有一定的時效恢復性，其機理有待進一步研究。

圖5　不同靜置時間下PE100管的τa-N關系曲線Fig.5　τa-N Curves of PE100 pipe under different standing time periods

圖6　PE100管棘輪滯回環曲線Fig.6　Ratcheting hysteresis loop of PE100 pipe

2.3　室溫單軸軸向棘輪效應

2.3.1單軸單級棘輪效應

由圖6可見，當σm=6 MPa，σa=12 MPa，循環數為50周次時，PE100管的應力應變滯回環并不封閉，而是出現漸進的移動，但移動的速率逐漸變慢，說明PE100管產生了棘輪應變，但棘輪應變速率逐漸降低。由圖7和圖8可知，相同應力幅下PE100管的棘輪應變隨平均應力的增大而增大；相同平均應力下PE100管的棘輪應變隨應力幅的增大而增大；在開始的幾十周次內，棘輪應變迅速增加，隨著循環周次的增加棘輪應變增大的速率逐漸趨于平穩。

圖7　平均應力對PE100管棘輪應變的影響Fig.7　Effect of mean stress on ratcheting strain of PE100 pipe

圖8　應力幅值對PE100管的棘輪應變的影響Fig.8　Effect of stress amplitude on ratcheting strain of PE100 pipe

圖9　平均應力加載歷史對PE100管棘輪應變的影響Fig.9　Effect of mean stress loading history on ratcheting strainof PE100 pipe

2.3.2多級加載工況對棘輪應變的影響

由圖9可見，當試樣依次經歷了前4個平均應力依次為0，5，6，7 MPa的循環后，在接下來的平均應力為0 MPa的循環過程中出現了棘輪應變迅速下降，然后趨于緩和的現象。主要原因是PE是一種粘彈性聚合物，應力降低到零，會有一部分變形回復造成的；在先、后進行的兩個平均應力均為6 MPa的循環加載過程中，后者的棘輪應變率(曲線切線斜率)除了開始幾周次內比前者的大外，后續周次的棘輪應變率均要略低于前者的，說明在經歷了較大平均應力棘輪循環后，后續較小平均應力的棘輪應變將會受到抑制；在先、后進行的兩個平均應力均為7 MPa的循環加載過程中，后者的棘輪應變要比前者的大，但棘輪應變率要較前者低，說明先前較小均值應力的棘輪循環對后續較大均值應力的棘輪變形有一定的影響。

由圖10可見，當試樣依次經歷了應力幅為12，13，14 MPa的循環加載后，再承受應力幅為12 MPa循環加載時，其棘輪應變基本不隨循環周次的增加而變動，說明先前較大應力幅值下的棘輪循環對后續較小的應力幅的棘輪變形產生了抑制作用，這種現象與金屬材料的循環塑性行為相似[11]。

圖10　應力幅值加載歷史對PE100管棘輪應變的影響Fig.10　Effect of stress amplitude loading history onratcheting strain of PE100 pipe

3結論

(1) PE100是一種率相關的材料，其彈性模量和屈服強度隨著應變速率的增加而增加；同時也是一種循環軟化材料，其剪切應力幅隨著循環周次的增加而降低。

(2) PE100管在對稱扭轉應變循環多級加載過程中存在一個扭轉應變幅的閾值，為5%;當經歷了大于或等于該值的應變循環加載后，PE100管在后續較小的應變循環中會出現循環硬化特性；而小于這一閾值，則出現循環穩定現象。

(3) PE100管在對稱扭轉應變循環多級加載過程中，盡管經歷了扭轉應變幅大于5%的循環加載，但只要靜置一段時間，再進行下一個較小應變幅循環加載時，其循環硬化特性會消失，表現出時效恢復性。

(4) PE100管的單軸棘輪應變強烈依賴于平均應力和應力幅值的大小及其加載歷史。

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Uniaxial Strain Cyclic and Ratcheting Behavior of PE100 Pipe at Room Temperature

YIN Jun-jun1，FU Yang2，DONG Jun-hua1，GAO Bing-jun1

(1. School of Chemical Engineering and Technology，Hebei University of Technology，Tianjin 300130，China；

2. Guangdong Institute of Special Equipment Inspection and Research Zhongshan Branch, Zhongshan 528400, China)

Abstract:The uniaxial tension test, cyclic strain test under symmetric torsion and uniaxial ratcheting test were carried out for Polyethylene 100 (PE100) pipe at room temperature. The stress-strain responses of the PE100 pipe under different strain rates were discussed. The effects of cyclic strain amplitude, mean stress, stress amplitude and their loading histories on strain cyclic characteristics and ratcheting deformations of PE100 pipe were studied. The results show that PE100 is a kind of rate-dependent and cyclic softening material. Both strain cyclic characteristic and uniaxial ratcheting behavior were all strongly dependent not only on the current load condition, but also on the prior loading history. There was a threshold value to induce cyclic hardening for PE100 under symmetric torsion, namely 5% torsion strain amplitude. The former cyclic load larger than the threshold value induced cyclic hardening of PE100 under the following smaller load conditions. However such kind of hardening would vanish after standing for some time, indicating recovery ageing effect of PE100.

Key words:polyethylene pipe; cyclic strain; ratcheting; strain amplitude

中圖分類號：TH145.4

文獻標志碼：A

文章編號：1000-3738(2015)10-0001-04

作者簡介：尹軍軍(1987-)，男，河北遷西人，碩士研究生。

基金項目：國家質檢總局科技計劃項目(2013QK267)

收稿日期:2014-08-28；

修訂日期:2015-06-24

DOI:10.11973/jxgccl201510001

導師(通訊作者)：高炳軍教授