巨占林

　　青海大美煤業(yè)股份有限公司，青海 西寧 811600

　　摘要：高密度聚乙烯(HDPE)作為一種可塑性強(qiáng)，造價(jià)低廉和耐腐蝕性能較好的熱塑性樹脂，被廣泛運(yùn)用于化工，建筑，軍工等各個(gè)領(lǐng)域，同時(shí)國內(nèi)外各個(gè)學(xué)者也對該材料的力學(xué)性能展開大量研究。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(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。

　　關(guān)鍵詞：高密度聚乙烯;力學(xué)性能;試驗(yàn)研究

　　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1GPa，拉伸屈服強(qiáng)度為25MPa，在GB/T1040.1—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)變增加時(shí)的最初應(yīng)力。本文所研究的輸油管道敷設(shè)在我國寒冷地區(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500mm/min，檢測依據(jù)參照文獻(xiàn)。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。

　　試驗(yàn)溫度0℃時(shí)，PE100的拉伸屈服強(qiáng)度平均值為27.34MPa，試驗(yàn)溫度-10℃時(shí)，PE100的拉伸屈服強(qiáng)度平均值為29.72MPa，而常溫條件下是25MPa。試驗(yàn)數(shù)據(jù)說明，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，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。

 

　　圖1不同溫度條件下應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線

　　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，簡稱SHPB。桿材為鋼，入射桿長1000mm，透射桿長1000mm;子彈長度有300mm和200mm兩種。除應(yīng)變率為4900/s的試驗(yàn)數(shù)據(jù)是在200mm長子彈的沖擊下獲得的，其他均采用300mm的子彈。通過粘貼在入射桿和透射桿上的應(yīng)變片測得入射、反射和透射信號。為避免試驗(yàn)過程中因應(yīng)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(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。入射桿上兩組應(yīng)變片離撞擊端的距離分別為225mm和285mm;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320mm和420mm，兩組信號的對比驗(yàn)證說明輸出信號穩(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即可。

　　對所提供的試樣，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，1050/s，1500/s，2000/s，2700/s，3300/s，4300/s，4900/s，所得的工程應(yīng)力應(yīng)變曲線可得，應(yīng)變率越高，材料的流動(dòng)應(yīng)力越大，說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)對應(yīng)的應(yīng)力作為名義屈服應(yīng)力，對應(yīng)的應(yīng)變作為名義屈服應(yīng)變，具體方法見文獻(xiàn)。

　　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)700mm處。根據(jù)試驗(yàn)要求，將應(yīng)變片、動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀、波形存儲器和計(jì)算機(jī)連接組成測試和存儲系統(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。由于測試過程中透射信號非常小，測量過程中采用了半導(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。因此透射信號都被放大了10倍。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(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。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，1736/s，2334/s，3086/s。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。

　　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)變在總體上有減小的趨勢，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。

　　參考文獻(xiàn):

　　[1]李俊偉，黃宏偉.土工格室HDPE片材拉伸應(yīng)變率相關(guān)特性[J].建筑材料學(xué)報(bào)，2008，12(1):47-51.

　　[2]中國國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì).GB/T1040.3-2006塑料拉伸性能的測定第3部分:薄膜和薄片的試驗(yàn)條件[S].北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2006.

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