PE100管的室溫單軸應(yīng)變循環(huán)行為與棘輪效應(yīng)

尹軍軍，富 陽，董俊華，高炳軍

(1. 河北工業(yè)大學(xué)化工學(xué)院， 天津 300130； 2. 廣東省特種設(shè)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(yīng)變循環(huán)行為與棘輪效應(yīng)

尹軍軍1，富 陽2，董俊華1，高炳軍1

(1. 河北工業(yè)大學(xué)化工學(xué)院， 天津 300130； 2. 廣東省特種設(shè)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(jìn)行了單軸拉伸試驗、扭轉(zhuǎn)對稱應(yīng)變循環(huán)試驗和單軸棘輪效應(yīng)試驗，探討了不同應(yīng)變速率下PE管的應(yīng)力-應(yīng)變響應(yīng)，分析了循環(huán)應(yīng)變幅、應(yīng)變幅歷史對應(yīng)變循環(huán)特性的影響以及均值應(yīng)力和幅值應(yīng)力及其加載歷史對PE100管棘輪變形的影響。結(jié)果表明：PE100是一種率相關(guān)循環(huán)軟化材料，無論應(yīng)變循環(huán)特性還是單軸棘輪行為，兩者都強(qiáng)烈依賴于當(dāng)前的載荷條件和既往加載歷史；PE100管存在產(chǎn)生循環(huán)硬化的對稱扭轉(zhuǎn)應(yīng)變幅閾值，其值為5%，當(dāng)PE100管經(jīng)歷大于該閾值的循環(huán)后再經(jīng)歷后續(xù)小應(yīng)變幅循環(huán)時會發(fā)生一定程度的硬化，但靜置后這種硬化現(xiàn)象又會消失，表現(xiàn)出時效恢復(fù)特性。

關(guān)鍵詞：聚乙烯管；應(yīng)變循環(huán)；棘輪效應(yīng)；應(yīng)變幅

0引言

聚乙烯(PE，Polyethylene)管具有質(zhì)輕價廉、抗沖擊性好、抗應(yīng)力開裂性好、耐腐蝕性優(yōu)越、連接安全可靠、水流阻力小、使用壽命長等諸多優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于生活給排水和城鎮(zhèn)燃?xì)廨斔凸こ讨小Ｓ捎赑E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(nèi)壓、上浮載荷和地震載荷等，其服役期間的應(yīng)力狀態(tài)很復(fù)雜，因此有必要對其進(jìn)行應(yīng)變控制和應(yīng)力控制的循環(huán)塑性試驗研究，以考察材料的變形與失效行為。

棘輪效應(yīng)是材料或者結(jié)構(gòu)在非對稱應(yīng)力循環(huán)載荷作用下產(chǎn)生的一種塑性變形累積的現(xiàn)象。棘輪效應(yīng)對承受非對稱應(yīng)力循環(huán)載荷下的工程材料或結(jié)構(gòu)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(xiàn)有棘輪效應(yīng)的試驗研究[2-4]及本構(gòu)模型[5]主要圍繞金屬材料，針對非金屬材料棘輪效應(yīng)的試驗研究[6-7]和本構(gòu)模型[8-9]相對較少。PE管在循環(huán)載荷作用下，會由于棘輪應(yīng)變的累積而破壞。為此，作者對PE100管材進(jìn)行了單軸拉伸、扭轉(zhuǎn)對稱應(yīng)變循環(huán)和單軸棘輪效應(yīng)試驗研究，探討了此類材料的循環(huán)塑性行為。

1試樣制備與試驗方法

試驗材料采用河北某聯(lián)塑生產(chǎn)基地提供的PE100-SDR11管材，規(guī)格為φ20 mm×2.3 mm，其主要成分為聚乙烯及約2%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))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(biāo)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(jī)在室溫下對試樣分別進(jìn)行單軸拉伸試驗、扭轉(zhuǎn)對稱應(yīng)變循環(huán)試驗和單軸棘輪效應(yīng)試驗，通過CARE_CONTROLLER_2000型反饋控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)載荷、位移和應(yīng)變等多通道的全數(shù)字閉環(huán)控制以及全程數(shù)據(jù)采集，應(yīng)變由上作動器的位移值間接算得，應(yīng)力由試驗過程中記錄的載荷值求取。加載工況分成獨(dú)立加載和多級加載兩種：獨(dú)立加載工況下，試樣只接受了一個工況的循環(huán)加載；多級加載工況下，試樣依次接受多個工況的循環(huán)加載。

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

(1)

(2)

棘輪應(yīng)變獨(dú)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(yīng)力，σa為應(yīng)力幅值。多級加載工況下，每個工況各循環(huán)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(yīng)力和應(yīng)力幅值多級加載條件

2試驗結(jié)果與討論

2.1　單軸拉伸性能

由圖1可知，PE100是一種率相關(guān)材料，其彈性模量和屈服強(qiáng)度隨著應(yīng)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(jié)晶聚合物，也是一種粘彈性材料，在其拉伸的過程中，會有應(yīng)力松弛的現(xiàn)象產(chǎn)生，應(yīng)變速率越大則拉伸速度越快，相對的應(yīng)力松弛時間就越短，產(chǎn)生的應(yīng)力減少量也就越小，結(jié)果表現(xiàn)為應(yīng)力響應(yīng)的增大。

圖1　不同應(yīng)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(zhuǎn)應(yīng)變循環(huán)行為

2.2.1獨(dú)立加載工況下τa-N曲線

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

圖2　不同剪應(yīng)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(jīng)過±10%的應(yīng)變幅循環(huán)后，試樣在后續(xù)的±7%和±5%應(yīng)變幅循環(huán)下的剪切應(yīng)力幅相對下降，并在其循環(huán)周期內(nèi)隨著循環(huán)周次的增加而升高，表現(xiàn)出了循環(huán)硬化特性。這可能是由于試樣在較大的應(yīng)變幅值循環(huán)下，結(jié)構(gòu)中較弱分子鏈發(fā)生了斷裂，使高分子結(jié)構(gòu)遭到破壞，同時結(jié)構(gòu)中活躍的分子體元重新取向促使新晶體的形成，起到增強(qiáng)的作用[10]。

圖3　多級加載工況下PE100管的τa-N關(guān)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(huán)加載試驗中存在一個扭轉(zhuǎn)應(yīng)變幅值的閾值，只有前期在經(jīng)歷了大于或等于該閾值的應(yīng)變幅循環(huán)后，后續(xù)較小的應(yīng)變幅循環(huán)才會出現(xiàn)循環(huán)硬化特性。而小于這個值，后續(xù)較低應(yīng)變幅值的扭轉(zhuǎn)循環(huán)試驗其剪切應(yīng)力幅值保持不變，即出現(xiàn)循環(huán)穩(wěn)定現(xiàn)象。PE100發(fā)生循環(huán)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(guān)系曲線Fig.4　τa-N curves of PE100 pipe at different loading histories

由圖5可知，前期在經(jīng)歷了10%的應(yīng)變循環(huán)后，將試樣擱置一段時間再進(jìn)行下一個較小應(yīng)變幅循環(huán)，會出現(xiàn)與獨(dú)立工況下扭轉(zhuǎn)對稱循環(huán)試驗相同的結(jié)果。在后續(xù)較小的應(yīng)變幅循環(huán)作用下仍會出現(xiàn)循環(huán)軟化現(xiàn)象，循環(huán)硬化特性消失，表明PE100具有一定的時效恢復(fù)性，其機(jī)理有待進(jìn)一步研究。

圖5　不同靜置時間下PE100管的τa-N關(guān)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(huán)曲線Fig.6　Ratcheting hysteresis loop of PE100 pipe

2.3　室溫單軸軸向棘輪效應(yīng)

2.3.1單軸單級棘輪效應(yīng)

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

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

圖8　應(yīng)力幅值對PE100管的棘輪應(yīng)變的影響Fig.8　Effect of stress amplitude on ratcheting strain of PE100 pipe

圖9　平均應(yīng)力加載歷史對PE100管棘輪應(yīng)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(yīng)變的影響

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

由圖10可見，當(dāng)試樣依次經(jīng)歷了應(yīng)力幅為12，13，14 MPa的循環(huán)加載后，再承受應(yīng)力幅為12 MPa循環(huán)加載時，其棘輪應(yīng)變基本不隨循環(huán)周次的增加而變動，說明先前較大應(yīng)力幅值下的棘輪循環(huán)對后續(xù)較小的應(yīng)力幅的棘輪變形產(chǎn)生了抑制作用，這種現(xiàn)象與金屬材料的循環(huán)塑性行為相似[11]。

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

3結(jié)論

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

(2) PE100管在對稱扭轉(zhuǎn)應(yīng)變循環(huán)多級加載過程中存在一個扭轉(zhuǎn)應(yīng)變幅的閾值，為5%;當(dāng)經(jīng)歷了大于或等于該值的應(yīng)變循環(huán)加載后，PE100管在后續(xù)較小的應(yīng)變循環(huán)中會出現(xiàn)循環(huán)硬化特性；而小于這一閾值，則出現(xiàn)循環(huán)穩(wěn)定現(xiàn)象。

(3) PE100管在對稱扭轉(zhuǎn)應(yīng)變循環(huán)多級加載過程中，盡管經(jīng)歷了扭轉(zhuǎn)應(yīng)變幅大于5%的循環(huán)加載，但只要靜置一段時間，再進(jìn)行下一個較小應(yīng)變幅循環(huán)加載時，其循環(huán)硬化特性會消失，表現(xiàn)出時效恢復(fù)性。

(4) PE100管的單軸棘輪應(yīng)變強(qiáng)烈依賴于平均應(yīng)力和應(yīng)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，F(xiàn)U 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(xiàn)標(biāo)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(zhì)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(dǎo)師(通訊作者)：高炳軍教授