高密度聚乙烯力學性能試驗研究

韓鵬飛 李映春 費畢剛

(1.國質(北京)建設工程檢測鑒定中心，北京 100081； 2.軍事科學院國防工程研究院，北京 100036)

高密度聚乙烯，是一種分子結構簡單、可塑性強、化學性質穩定、耐腐蝕性好、無毒的高分子聚合物，已廣泛用于日常生活、民用工業、軍事工業等領域，國內外的一些學者對其力學性能展開了較多研究。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性能及其本構關系；陳自鵬等[3]對光面和花紋面高密度聚乙烯單軸拉伸性能進行了研究，分析了光面和花紋面對拉伸性能的影響；朱天戈等[4]對幾種高分子聚乙烯樹脂在高拉伸應變率下的拉伸行為進行了試驗，較大的應變率為33.3/s,133.3/s,233.3/s,336.7/s，分析了高應變率下高密度聚乙烯樹脂的破壞特性；徐立志等[5]對高密度聚乙烯進行了準靜態壓縮試驗和動態(沖擊)壓縮試驗，較大的應變率為1 454/s,2 551/s和3 204/s，分析了聚乙烯的力學性能，并給出了分段本構模型；熊杰等[6]對高強高模聚乙烯纖維進行了準靜態和動態(沖擊)拉伸實驗,得到了不同溫度、不同應變率時纖維束的應力應變曲線，溫度為20 ℃～110 ℃，較大應變率為300/s和700/s。

高密度聚乙烯準靜態拉伸性能試驗大多是在常溫條件下進行，對于用于寒冷地區的高密聚乙烯，低溫條件下的準靜態拉伸力學性能的研究比較少見；對于高密度聚乙烯動態拉伸和壓縮條件的相關試驗也不多，大多是針對高密度聚乙烯與其他基體材料相結合構成的新材料，另外對同一種高密度聚乙烯的動態拉伸和壓縮的試驗也很少見相關文獻報道。本文主要工作是研究兩種低溫條件下高密度聚乙烯單軸準靜態拉伸性能，和常溫高密度聚乙烯不同應變率條件下動態拉伸和壓縮力學性能分析。

1 低溫拉伸性能試驗

高密度聚乙烯常用于金屬輸油管道的外包裹層，用于保護金屬輸油管道不受外界環境腐蝕甚或損壞，延長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，拉伸屈服強度為25 MPa，在GB/T 1040.1—2006中，拉伸屈服強度被定義為：出現應力不增加而應變增加時的最初應力[7]。本文所研究的輸油管道敷設在我國寒冷地區，敷設管道所處位置冬季常處于0 ℃以下，有時可達到-10 ℃，為了研究高密度聚乙烯在低溫下的拉伸性能，并與常溫下的相關力學參數進行比較分析，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，檢測依據參照文獻[7]。低溫拉伸性能試驗主要得到了材料的以下力學性能參數：拉伸屈服強度、拉伸屈服應變、拉伸斷裂應變和彈性模量，詳細數據見表1。從表1中可以看出，試驗溫度0 ℃時，PE100的拉伸屈服強度平均值為27.34 MPa，試驗溫度-10 ℃時，PE100的拉伸屈服強度平均值為29.72 MPa，而常溫條件下是25 MPa。表1中的試驗數據說明，隨著溫度的降低，PE100的拉伸屈服強度增大，材料的拉伸屈服應變減小，拉伸斷裂應變減小，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，材料的拉伸應力應變關系曲線如圖1所示，從圖1中不難看出，PE100的拉伸屈服強度與最大拉伸強度相等，隨著溫度的降低，拉伸屈服強度增大，拉伸屈服應變和拉伸斷裂應變都變小，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

2 動態壓縮試驗

本次動態(沖擊)壓縮試驗所選設備為φ14.5的分離式Hopkinson壓桿，簡稱SHPB。桿材為鋼，入射桿長1 000 mm，透射桿長1 000 mm；子彈長度有300 mm和200 mm兩種。除應變率為4 900/s的試驗數據是在200 mm長子彈的沖擊下獲得的，其他均采用300 mm的子彈。通過粘貼在入射桿和透射桿上的應變片測得入射、反射和透射信號。為避免試驗過程中因應變片失效而漏記信號，所以在入射桿和透射桿上各粘貼了兩組應變片；為消除入射波的高頻振蕩，也為了試樣能盡早進入均勻狀態，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變片測得的入射和透射典型波形。入射桿上兩組應變片離撞擊端的距離分別為225 mm和285 mm；透射桿上兩組應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，兩組信號的對比驗證說明輸出信號穩定可信，計算應力應變曲線可從入射桿和透射桿上各取一組信號即可。為了驗證試驗結果的重復性，本文選取了應變率為4 300/s的三組試驗結果來進行對比分析，具體應力應變曲線如圖3所示。通過圖3可以看出，三組試驗結果及其平均值非常接近，從而證明動態壓縮試驗結果重復性很好。

對所提供的試樣，在不同的彈速下，進行了一系列試驗，本次沖擊壓縮試驗共有8組應變率，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，所得的工程應力應變曲線如圖4所示。由圖4可得，應變率越高，材料的流動應力越大，說明該聚乙烯材料的力學性能具有一定的應變率敏感性。從應力應變曲線的形狀來看，該聚乙烯在某一應力達到前，應力應變關系可近似為一條直線，在達到某一應力后，應力應變關系仍可近似為一條直線，不過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力應變關系，某應力前后分別是彈性階段和塑性階段，但無明顯的“屈服點”，為了便于討論分析，本文將兩階段(彈性階段和塑性階段)直線外推的交點對應的應力作為名義屈服應力，對應的應變作為名義屈服應變，具體方法見文獻[8]。這幾種工況的名義屈服應力、名義屈服應變，以及彈性模量列于表2。通過表2可以看出，隨著應變率的不斷增大，名義屈服應力不斷增大，名義屈服應變不斷減小，彈性模量不斷增大，為了分析名義屈服應變與應變率的關系，本文進行了回歸分析，得到名義屈服應力q與應變率x的回歸公式如式(1)所示，相關系數為0.98。

q=0.003 34x+25.178 12

(1)

式(1)說明名義屈服應力與應變率近似成線性關系，即隨著應變率的增大，名義屈服應力線性增大；另外，彈性模量z與應變率x的回歸公式如式(2)所示，相關系數為0.96。

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

(2)

表2 不同應變率壓縮條件下高密度聚乙烯力學參數

拉伸應變率/s-1名義壓縮屈服應變/%名義壓縮屈服強度/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 動態拉伸試驗

本文動態(沖擊)拉伸試驗所選設備為分離Hopkinson拉桿，采用的是撞管型拉桿，應變片粘貼在距離加載點700 mm處。根據試驗要求，將應變片、動態應變儀、波形存儲器和計算機連接組成測試和存儲系統，調節并確定所使用通道的放大倍數。每次試驗前，均要檢查應變片的粘貼狀態、動態應變儀和波形存儲裝置的線路連接，以及波導桿間的同軸情況，確保系統狀態滿足試驗要求。由于測試過程中透射信號非常小，測量過程中采用了半導體應變片，同時前端增加了放大設備，放大倍數為10。因此透射信號都被放大了10倍。圖5給出了典型的入射波和透射波的原始信號，應變率分別為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都非常好，干擾很小，以此得出的試驗結果是可信的。當應變率增加后，由于入射載荷的增加會造成試驗件出現頸縮現象，使得材料進入塑性階段。圖6給出了不同應變率下的工程應力—應變曲線，應變率分別為688/s，992/s，1 736/s，2 334/s，3 086/s。表3給出了不同應變率拉伸條件下高密度聚乙烯力學參數，包括動態拉伸屈服應變，動態拉伸屈服強度和彈性模量，彈性模量取初始切線模量。由圖6和表3可以看出，隨著應變率的增大，拉伸屈服強度和彈性模量逐漸增大，拉伸屈服應變在總體上有減小的趨勢。本文進行回歸分析，得到拉伸屈服強度y與應變率x的關系如式(3)所示，相關系數為0.96。

y=0.010 11x+16.347 05

(3)

式(3)說明屈服應力與應變率近似成線性關系，即隨著應變率的增大，屈服應力線性增大；另外，彈性模量z與應變率x的回歸公式如式(4)所示，相關系數為0.96。

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

(4)

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

表3 不同應變率拉伸條件下高密度聚乙烯力學參數

拉伸應變率/s-1拉伸屈服應變/%拉伸屈服強度/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 結論和展望

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

2)對于動態壓縮試驗，隨著應變率的增大，壓縮名義屈服應力線性增大，壓縮名義屈服應變總體上減小，彈性模量逐漸增大，與應變率呈三次多項式的關系。

3)對于動態拉伸試驗，隨著應變率的增大，拉伸屈服強度線性增大，拉伸屈服應變在總體上有減小的趨勢，彈性模量逐漸增大，與應變率呈三次多項式的關系。

4)動態壓縮和拉伸條件下，不同應變率所獲得的壓縮名義屈服強度和動態拉伸屈服強度在大小上差別不大，彈性模量也較為接近。

5)低溫條件和應變率聯合作用下對高密度聚乙烯力學性能的影響，需在下一步深入研究。