PE100管的室温单轴应变循环行为与棘轮效应

尹军军，富 阳，董俊华，高炳军

(1. 河北工业大学化工学院， 天津 300130； 2. 广东省特种设备检测研究院中山检测院， 中山 528400)



PE100管的室温单轴应变循环行为与棘轮效应

尹军军1，富 阳2，董俊华1，高炳军1

(1. 河北工业大学化工学院， 天津 300130； 2. 广东省特种设备检测研究院中山检测院， 中山 528400)

摘要：在室温下对聚乙烯(PE100)管分别进行了单轴拉伸试验、扭转对称应变循环试验和单轴棘轮效应试验，探讨了不同应变速率下PE管的应力-应变响应，分析了循环应变幅、应变幅历史对应变循环特性的影响以及均值应力和幅值应力及其加载历史对PE100管棘轮变形的影响。结果表明：PE100是一种率相关循环软化材料，无论应变循环特性还是单轴棘轮行为，两者都强烈依赖于当前的载荷条件和既往加载历史；PE100管存在产生循环硬化的对称扭转应变幅阈值，其值为5%，当PE100管经历大于该阈值的循环后再经历后续小应变幅循环时会发生一定程度的硬化，但静置后这种硬化现象又会消失，表现出时效恢复特性。

关键词：聚乙烯管；应变循环；棘轮效应；应变幅

0引言

聚乙烯(PE，Polyethylene)管具有质轻价廉、抗冲击性好、抗应力开裂性好、耐腐蚀性优越、连接安全可靠、水流阻力小、使用寿命长等诸多优点，广泛应用于生活给排水和城镇燃气输送工程中。由于PE管在服役期间需要埋在地下，直接或者间接作用在管道上的载荷既有恒载又有动载，恒载主要有管道自重、覆土载荷和流体重力，动载主要有车辆载荷、地面堆载、温度载荷、管道内压、上浮载荷和地震载荷等，其服役期间的应力状态很复杂，因此有必要对其进行应变控制和应力控制的循环塑性试验研究，以考察材料的变形与失效行为。

棘轮效应是材料或者结构在非对称应力循环载荷作用下产生的一种塑性变形累积的现象。棘轮效应对承受非对称应力循环载荷下的工程材料或结构的安全性和寿命评估是非常重要的[1]，比如快中子增殖堆燃料元件、核电站压力容器及管道等。现有棘轮效应的试验研究[2-4]及本构模型[5]主要围绕金属材料，针对非金属材料棘轮效应的试验研究[6-7]和本构模型[8-9]相对较少。PE管在循环载荷作用下，会由于棘轮应变的累积而破坏。为此，作者对PE100管材进行了单轴拉伸、扭转对称应变循环和单轴棘轮效应试验研究，探讨了此类材料的循环塑性行为。

1试样制备与试验方法

试验材料采用河北某联塑生产基地提供的PE100-SDR11管材，规格为φ20 mm×2.3 mm，其主要成分为聚乙烯及约2%(质量分数)的炭黑和少量的颜料。利用管材切割工具截取试样，其长度为120 mm，标距段长度为50 mm。夹持试样时为了防止夹持端变形，在试样两端塞入不锈钢堵头。

参照GB/T 10128-2007和GB/T 12443-2007，采用EUM-25K20型电子万能多轴疲劳试验机在室温下对试样分别进行单轴拉伸试验、扭转对称应变循环试验和单轴棘轮效应试验，通过CARE_CONTROLLER_2000型反馈控制系统实现载荷、位移和应变等多通道的全数字闭环控制以及全程数据采集，应变由上作动器的位移值间接算得，应力由试验过程中记录的载荷值求取。加载工况分成独立加载和多级加载两种：独立加载工况下，试样只接受了一个工况的循环加载；多级加载工况下，试样依次接受多个工况的循环加载。

单轴棘轮效应试验中，控制应力速率为7MPa·s-1，定义的棘轮应变和棘轮应变速率为：

(1)

(2)

棘轮应变独立加载条件及多级加载条件见表1和表2，表中σm为平均应力，σa为应力幅值。多级加载工况下，每个工况各循环50周次。

表1　单轴棘轮试验加载条件

表2　单轴棘轮试验平均应力和应力幅值多级加载条件

2试验结果与讨论

2.1　单轴拉伸性能

由图1可知，PE100是一种率相关材料，其弹性模量和屈服强度随着应变速率的增加而增加。PE100是一种高密度聚乙烯材料，属于半结晶聚合物，也是一种粘弹性材料，在其拉伸的过程中，会有应力松弛的现象产生，应变速率越大则拉伸速度越快，相对的应力松弛时间就越短，产生的应力减少量也就越小，结果表现为应力响应的增大。

图1　不同应变速率下PE100管的单轴拉伸曲线Fig.1　Uniaxial tensile curves of PE100 pipe at different strain rate

2.2　单轴对称扭转应变循环行为

2.2.1独立加载工况下τa-N曲线

扭转循环应力幅大小的变化反映了材料的循环软硬化的特性。由图2可见，三种应变幅值下，剪切应力幅(τa)随着循环周次的增加而降低，说明试样发生了明显的循环软化行为，并且软化程度(软化率)随着扭转应变幅的增加而增大。由此可见，PE100是一种循环软化材料。

图2　不同剪应变幅值下PE100管的τa-N曲线Fig.2　τa-N curves of PE100 pipe at different shear strain amplitudes

2.2.2多级加载工况下τa-N曲线

由图3可见，经过±10%的应变幅循环后，试样在后续的±7%和±5%应变幅循环下的剪切应力幅相对下降，并在其循环周期内随着循环周次的增加而升高，表现出了循环硬化特性。这可能是由于试样在较大的应变幅值循环下，结构中较弱分子链发生了断裂，使高分子结构遭到破坏，同时结构中活跃的分子体元重新取向促使新晶体的形成，起到增强的作用[10]。

图3　多级加载工况下PE100管的τa-N关系曲线Fig.3　τa-N curves of PE100 pipe under multilevel loading condition

2.2.3加载历史及静置时间对τa-N曲线的影响

由图4可知，在两级循环加载试验中存在一个扭转应变幅值的阈值，只有前期在经历了大于或等于该阈值的应变幅循环后，后续较小的应变幅循环才会出现循环硬化特性。而小于这个值，后续较低应变幅值的扭转循环试验其剪切应力幅值保持不变，即出现循环稳定现象。PE100发生循环硬化特性的阈值约为5%。

图4　不同加载历史下PE100管的τa-N关系曲线Fig.4　τa-N curves of PE100 pipe at different loading histories

由图5可知，前期在经历了10%的应变循环后，将试样搁置一段时间再进行下一个较小应变幅循环，会出现与独立工况下扭转对称循环试验相同的结果。在后续较小的应变幅循环作用下仍会出现循环软化现象，循环硬化特性消失，表明PE100具有一定的时效恢复性，其机理有待进一步研究。

图5　不同静置时间下PE100管的τa-N关系曲线Fig.5　τa-N Curves of PE100 pipe under different standing time periods

图6　PE100管棘轮滞回环曲线Fig.6　Ratcheting hysteresis loop of PE100 pipe

2.3　室温单轴轴向棘轮效应

2.3.1单轴单级棘轮效应

由图6可见，当σm=6 MPa，σa=12 MPa，循环数为50周次时，PE100管的应力应变滞回环并不封闭，而是出现渐进的移动，但移动的速率逐渐变慢，说明PE100管产生了棘轮应变，但棘轮应变速率逐渐降低。由图7和图8可知，相同应力幅下PE100管的棘轮应变随平均应力的增大而增大；相同平均应力下PE100管的棘轮应变随应力幅的增大而增大；在开始的几十周次内，棘轮应变迅速增加，随着循环周次的增加棘轮应变增大的速率逐渐趋于平稳。

图7　平均应力对PE100管棘轮应变的影响Fig.7　Effect of mean stress on ratcheting strain of PE100 pipe

图8　应力幅值对PE100管的棘轮应变的影响Fig.8　Effect of stress amplitude on ratcheting strain of PE100 pipe

图9　平均应力加载历史对PE100管棘轮应变的影响Fig.9　Effect of mean stress loading history on ratcheting strainof PE100 pipe

2.3.2多级加载工况对棘轮应变的影响

由图9可见，当试样依次经历了前4个平均应力依次为0，5，6，7 MPa的循环后，在接下来的平均应力为0 MPa的循环过程中出现了棘轮应变迅速下降，然后趋于缓和的现象。主要原因是PE是一种粘弹性聚合物，应力降低到零，会有一部分变形回复造成的；在先、后进行的两个平均应力均为6 MPa的循环加载过程中，后者的棘轮应变率(曲线切线斜率)除了开始几周次内比前者的大外，后续周次的棘轮应变率均要略低于前者的，说明在经历了较大平均应力棘轮循环后，后续较小平均应力的棘轮应变将会受到抑制；在先、后进行的两个平均应力均为7 MPa的循环加载过程中，后者的棘轮应变要比前者的大，但棘轮应变率要较前者低，说明先前较小均值应力的棘轮循环对后续较大均值应力的棘轮变形有一定的影响。

由图10可见，当试样依次经历了应力幅为12，13，14 MPa的循环加载后，再承受应力幅为12 MPa循环加载时，其棘轮应变基本不随循环周次的增加而变动，说明先前较大应力幅值下的棘轮循环对后续较小的应力幅的棘轮变形产生了抑制作用，这种现象与金属材料的循环塑性行为相似[11]。

图10　应力幅值加载历史对PE100管棘轮应变的影响Fig.10　Effect of stress amplitude loading history onratcheting strain of PE100 pipe

3结论

(1) PE100是一种率相关的材料，其弹性模量和屈服强度随着应变速率的增加而增加；同时也是一种循环软化材料，其剪切应力幅随着循环周次的增加而降低。

(2) PE100管在对称扭转应变循环多级加载过程中存在一个扭转应变幅的阈值，为5%;当经历了大于或等于该值的应变循环加载后，PE100管在后续较小的应变循环中会出现循环硬化特性；而小于这一阈值，则出现循环稳定现象。

(3) PE100管在对称扭转应变循环多级加载过程中，尽管经历了扭转应变幅大于5%的循环加载，但只要静置一段时间，再进行下一个较小应变幅循环加载时，其循环硬化特性会消失，表现出时效恢复性。

(4) PE100管的单轴棘轮应变强烈依赖于平均应力和应力幅值的大小及其加载历史。

参考文献:

[1]田涛,陈旭,安珂.1Cr18Ni9Ti不锈钢多轴棘轮效应试验研究[J].机械工程材料，2002,26(1):19-21.

[2]康国政,李友国.中碳贝氏体钢的室温单轴循环变形行为研究[J].工程力学，2007,24(4):173-177.

[3]李钊,刘宇杰,康国政.退火和调质42CrMo合金钢单轴循环塑性行为的实验研究[J].固体力学学报,2007,28(1):77-82.

[4]蔡立勋,刘宇杰,叶裕明,等.T225NG钛合金的单轴棘轮行为研究[J].金属学报,2004,40(11):1155-1164.

[5]高庆,康国政,杨显杰. 304不锈钢室温单轴循环棘轮行为的粘塑性本构描述[J].固体力学学报，2002,23(2):167-171.

[6]XU Wen-juan,GAO Hong,GAO Li-lan,et al. Tensile ratcheting behaviors of bronze powder filled polytetrafluoroethylene[J]. Front Chem Sci Eng, 2013, 7(1): 103-109.

[7]张喆.聚四氟乙烯室温下单轴和多轴循环变形实验研究[D].天津:天津大学, 2007.

[8]DROZDOV A D, CHRISTIANSEN J C. Cyclic viscoplasticity of high-density polyethylene: Experiments and modeling[J]. Computational Materials Science, 2007, 39: 465-480.

[9]BERGSTR J S,KURTZ S M,RIMNAC C M,et al. Constitutive modeling of ultra-high molecular weight polyethylene under large-deformation and cyclic loading conditions[J]. Biomaterials, 2002, 23:2329-2343.

[10]LEMAITRE J,CHABOCHE J L.固体材料力学[M]. 余天庆,吴玉树译.北京:国防工业出版社,1997:28-32.

[11]高炳军.材料多轴棘轮效应本构描述及压力管道棘轮效应预测[D].天津:天津大学, 2005:24-27.

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

中图分类号：TH145.4

文献标志码：A

文章编号：1000-3738(2015)10-0001-04

作者简介：尹军军(1987-)，男，河北迁西人，硕士研究生。

基金项目：国家质检总局科技计划项目(2013QK267)

收稿日期:2014-08-28；

修订日期:2015-06-24

DOI:10.11973/jxgccl201510001

导师(通讯作者)：高炳军教授