高密度聚乙烯單軸拉伸力學(xué)性能試驗(yàn)研究*

陳自鵬，石少卿，羅偉銘

(1. 后勤工程學(xué)院軍事土木工程系，重慶 401311;2. 重慶市地質(zhì)災(zāi)害防治工程技術(shù)研究中心，重慶 401311)

高密度聚乙烯單軸拉伸力學(xué)性能試驗(yàn)研究*

陳自鵬1,2，石少卿1,2，羅偉銘1

(1. 后勤工程學(xué)院軍事土木工程系，重慶 401311;2. 重慶市地質(zhì)災(zāi)害防治工程技術(shù)研究中心，重慶 401311)

隨著高密度聚乙烯(HDPE)被廣泛應(yīng)用于化工，建筑，軍工等各個(gè)領(lǐng)域，高密度聚乙烯的型號(hào)，使用環(huán)境也越來越多樣化。因此，對(duì)在不同拉伸速率和拉伸方向下的光面HDPE片材和花紋面HDPE片材進(jìn)行單軸條帶拉伸試驗(yàn)。試驗(yàn)表明：光面橫向受拉片材隨著拉伸速率的提升，其屈服平臺(tái)強(qiáng)度也隨著提升，在拉伸速率為150mm/min時(shí)，光面橫向受拉片材的第二屈服點(diǎn)不明顯，材料抗拉性能較好?；y面片材的最大拉伸強(qiáng)度的率相關(guān)性較好，在已有的3組拉伸速率下平均增長5.02%，但花紋面所受最大荷載較光面片材小?；y面片材較光面片材更易斷裂，縱向受拉片材較橫向受拉片材更易斷裂。結(jié)果表明，光面橫向受拉片材的抗拉性能較好。

條帶拉伸試驗(yàn)；率相關(guān)性；方向相關(guān)性；高密度聚乙烯

高密度聚乙烯作為一種可塑性強(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(duì)該材料的力學(xué)性能展開大量研究。G’sell和Jonas[1]最早對(duì)高密度聚乙烯(HDPE)片材進(jìn)行單軸拉伸試驗(yàn)，并對(duì)HDPE片材后期的應(yīng)力強(qiáng)化現(xiàn)象進(jìn)行分析。而后，Caucher-Miri等人對(duì)HDPE在單軸拉伸下的微觀力學(xué)性能進(jìn)行研究。Know[2]通過試驗(yàn)和數(shù)值模擬引入一個(gè)修正系數(shù)，對(duì)單軸拉伸試驗(yàn)及其數(shù)值模擬而言，這個(gè)修正系數(shù)可以減小以往數(shù)值模擬中等效應(yīng)力與實(shí)際軸力之間的誤差。Zhang[3]對(duì)HDPE波紋管進(jìn)行了缺口斷裂拉伸試驗(yàn)和數(shù)值模擬研究，通過兩組數(shù)學(xué)表達(dá)式分別演算HDPE的大變形和損傷發(fā)展，提供了最大伸長斷裂與損傷演化率之間關(guān)系的定性描述。通過HDPE的條帶拉伸試驗(yàn)，李俊偉[4]對(duì)HDPE片材在低拉伸速率下的拉伸應(yīng)變率特性進(jìn)行研究，試驗(yàn)表明HDPE片材的最大拉伸應(yīng)力具有較明顯的率相關(guān)性。

目前，隨著HDPE這種優(yōu)異材料的推廣，國內(nèi)出現(xiàn)了不同樣式的HDPE片材，其中最為常見的是光面片材和花紋面片材，但針對(duì)不同表面的HDPE片材性能研究較少。同時(shí)，隨著HDPE片材的使用范圍增大，其使用環(huán)境也變得較為復(fù)雜，HDPE片材不僅僅可能受到低速率荷載作用，也可能受到較高加載速率的沖擊，然而針對(duì)HDPE在較高拉伸速率下的力學(xué)性能研究也較少。

此外，在生產(chǎn)使用中，由于工藝手段的不同或者結(jié)構(gòu)在使用一段時(shí)間后，HDPE材料會(huì)受到一個(gè)方向的拉伸力，其力學(xué)性能往往表現(xiàn)為具有一定的方向相關(guān)性。但是，由于HDPE作為一種熱塑型高分子聚合物，其分子排列較為平均，故在以往研究中常常認(rèn)為HDPE片材為各向同性材料，對(duì)于實(shí)際使用中HDPE片材力學(xué)性能的方向相關(guān)性研究較少。

因此，本文通過條帶拉伸試驗(yàn)，對(duì)不同樣式的HDPE片材在不同拉伸速率和受拉方向下的力學(xué)性能進(jìn)行研究，將不同表面，拉伸方向，拉伸速率3組工況進(jìn)行兩兩正交對(duì)比，研究HDPE片材的應(yīng)力應(yīng)變特性，后期通過靜力和動(dòng)力拉伸試驗(yàn)擬合該材料的應(yīng)變率參數(shù)，為完善數(shù)值模擬中材料的各項(xiàng)參數(shù)提供參考。

1 試驗(yàn)準(zhǔn)備

試驗(yàn)設(shè)計(jì)12組共60個(gè)試件，采用行業(yè)和國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的窄條拉伸法，試件按照《GBT1040.3-2006》中的II型樣式進(jìn)行加工[5]，制成長150 mm，寬50 mm，標(biāo)距為50 mm的窄條試樣。試驗(yàn)拉伸速率分別為50、100和150 mm/min。片材型號(hào)分為兩種，一種為厚度1.2 mm，花紋表面片材，為了便于試驗(yàn)測量，花紋面片材的橫截面積長寬高均用游標(biāo)卡尺取最外圍，即厚度1.2 mm為花紋片材的最大厚度。因?yàn)槭艿狡谋砻婊y的影響，花紋的實(shí)際平均厚度小于1.2 mm；另外一種為厚度2.0 mm,光滑表面片材。拉伸方向分為縱向拉伸和橫向拉伸，如圖1所示。

圖1 HDPE片材拉伸方向示意圖Fig.1 Schematic diagram of the tensile direction

2 試驗(yàn)現(xiàn)象

在試件受拉初始階段，試件變形在彈性范圍內(nèi)，應(yīng)力應(yīng)變呈線性遞增關(guān)系，如圖2中OA段。在彈性變形階段時(shí)，片材厚度變化較小，片材彈性模量基本保持不變，抗拉性能較為穩(wěn)定。

隨著拉伸位移的增加，進(jìn)入塑性變形階段，應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系不再呈線性遞增，片材開始屈服，如圖AB段所示。當(dāng)HDPE片材達(dá)到其最大拉伸強(qiáng)度后，隨著拉伸位移的增加，片材所持荷載迅速降低，應(yīng)力應(yīng)變曲線開始下降，片材厚度變化較大，拉伸變形明顯增大。同時(shí)，應(yīng)力應(yīng)變比值開始遞減，抗拉性能下降，直至達(dá)到第二屈服點(diǎn)C點(diǎn)，如圖2中BC段所示。達(dá)到第二屈服點(diǎn)后，HDPE片材所受應(yīng)力開始穩(wěn)定在一定值，該值為拉伸屈服平臺(tái)應(yīng)力，隨著拉伸位移的增加，試件的工程應(yīng)變增加，而工程應(yīng)力基本不變。在隨后的拉伸過程中應(yīng)力應(yīng)變曲線近似地表現(xiàn)為一條水平線段直至試件斷裂或拉伸位移達(dá)到試驗(yàn)限定值380 mm，如圖2中CD段所示。

圖2 典型HDPE片材單軸拉伸工程應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系Fig.2 Typical curve of engineering stress versus strain

如圖3所示，通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，條帶的斷裂形式主要有3種，一種為I型斷裂，該斷裂形式的片材多為拉伸速率較小的橫向受拉片材。隨著條帶在拉伸作用下不斷伸長，片材中部厚度開始變薄，片材兩端開始收縮，當(dāng)拉伸應(yīng)變達(dá)到一定值時(shí)，片材中部開始出現(xiàn)裂紋，韌帶受拉導(dǎo)致片材應(yīng)力集中出現(xiàn)材料局部“發(fā)白”。隨著韌帶的繼續(xù)屈服，應(yīng)力發(fā)白區(qū)開始擴(kuò)大，裂紋尖端繼續(xù)拓展，同時(shí)片材兩端不斷變窄。最終，兩端的裂紋尖端與片材左右兩端相遇，片材斷裂，成典型的“八”字型斷裂狀態(tài)。在12組60個(gè)試樣中，有36個(gè)試樣斷裂，其中I型斷裂有12個(gè)，光面橫向受拉片材在50 mm/min拉伸速率下有2個(gè)，花紋面橫向受拉片材在50 mm/min和100 mm/min拉伸速率下共10個(gè)試樣斷裂，可見I型斷裂主要發(fā)生在拉伸速率不高的橫向受拉試件上。

II型斷裂主要發(fā)生在高拉伸速率下的縱向受拉試件中。與I型破壞模式不同，在高拉伸速率下，裂紋初始出現(xiàn)位置為片材兩端，而非片材中部。而后隨著拉伸位移的增加，裂紋開始拓展，中心韌帶有明顯的應(yīng)力發(fā)白現(xiàn)象，應(yīng)力開始集中，裂紋延伸至中心韌帶后，中心韌帶開始延伸，此時(shí)片材的應(yīng)力應(yīng)變曲線仍處于屈服平臺(tái)。隨著中心韌帶變薄，片材破壞，兩端裂紋呈水平狀，裂口光滑，中心斷裂韌帶無明顯的拉伸纖維可見。在斷裂的36個(gè)試件中，有12個(gè)II型斷裂，均為光面縱向受拉試件，其中在100 mm/min和150 mm/min拉伸速率有10個(gè)?？梢?，II型斷裂主要發(fā)生在高拉伸速率下的光面縱向受拉試件。

III型斷裂主要發(fā)生在花紋面縱向受拉試件上，隨著拉伸位移的增加，首先片材一端出現(xiàn)裂紋，而后裂紋逐漸拓展延伸，并沒有明顯應(yīng)力發(fā)白區(qū)和拉伸纖維出現(xiàn)，而后裂紋延伸至試件另一端，試件破壞。在36個(gè)破壞試件中，有12個(gè)III型破壞，均為花紋縱向受拉構(gòu)件，與II型破壞模式對(duì)比，其主要區(qū)別為制作工藝，雖然II型破壞和III型破壞均以縱向受拉構(gòu)件為主，但不同的是，II型破壞的縱向受拉構(gòu)件為光面片材，而III型破壞的縱向受拉構(gòu)件為花紋面片材。因此，試樣的型號(hào)的確會(huì)影響片材的破壞模式，導(dǎo)致破壞第1階段時(shí)，裂紋出現(xiàn)的位置和數(shù)量不同，最終導(dǎo)致片材斷裂行為的不一致。

3 試驗(yàn)結(jié)果

HDPE片材拉伸強(qiáng)度值如表1所示，HDPE片材屈服平臺(tái)強(qiáng)度值如表2所示。

圖3 斷裂模式示意圖Fig.3 Schematic diagram of different failure model

表1 HDPE片材拉伸強(qiáng)度值

Table 1 The tensile strength of the HDPE specimens

拉伸速率/(mm·min-1)橫向拉伸片材樣式拉伸強(qiáng)度/MPa縱向拉伸片材樣式拉伸強(qiáng)度/MPa橫向拉伸片材樣式拉伸強(qiáng)度/MPa縱向拉伸片材樣式拉伸強(qiáng)度/MPa50光面15 58光面14 40花紋面21 66花紋面19 26100光面15 92光面14 58花紋面22 38花紋面20 20150光面16 02光面14 87花紋面23 09花紋面21 02

表2 HDPE片材屈服平臺(tái)強(qiáng)度值

4 力學(xué)性能分析

4.1 片材樣式影響分析

圖4至圖9為不同工況下HDPE片材在單軸拉伸試驗(yàn)中的工程應(yīng)力應(yīng)變曲線。由表1可知，花紋面片材的拉伸強(qiáng)度較光面片材的拉伸強(qiáng)度高。對(duì)于橫向受拉片材，花紋面的拉伸強(qiáng)度比光面平均高出41.24%；對(duì)于縱向受拉片材，花紋面的拉伸強(qiáng)度比光面平均高出37.89%。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，分析花紋面拉伸強(qiáng)度比光面拉伸強(qiáng)度高的原因主要有兩點(diǎn)：① 壓花工藝使得花紋面的橫截面積大大減小，而中心片材的基本強(qiáng)度不變，故單位面積內(nèi)片材所能承受的最大應(yīng)力較光面片材大；② 壓花工藝在熱壓過程中對(duì)HDPE片材的密度有所提高，故花紋面片材的拉伸強(qiáng)度較光面HDPE片材的拉伸強(qiáng)度較高。

雖然花紋面的拉伸強(qiáng)度較光面片材高，但是對(duì)于單個(gè)片材，光面片材所能承受的最大荷載平均為766 kN，而花紋面片材所能承受的最大荷載平均為650 kN。此外，在拉伸變形較大的情況下，花紋片材的穩(wěn)定性更差，較易斷裂，且隨著拉伸速率的上升，花紋片材的應(yīng)力屈服平臺(tái)隨拉伸速率提升而提升的現(xiàn)象不明顯，即率相關(guān)性不明顯。由此可知，光面片材適用于荷載大，持荷時(shí)間較長的工程運(yùn)用中，而花紋面片材適用于重量輕，持荷時(shí)間較短的工程。

圖4 不同拉伸速率下花紋橫向受拉片材工程應(yīng)力應(yīng)變曲線Fig.4 The engineering stress versus strain curve of the transverse tensile pattern specimen under different stretching speed

圖5 不同拉伸速率下花紋縱向受拉片材工程應(yīng)力應(yīng)變曲線Fig.5 The engineering stress versus strain curve of the longitudinal tensile pattern specimen under different stretching speed

4.2 拉伸方向影響分析

對(duì)于花紋面片材，由圖4和圖5可看出，花紋橫向受拉片材和縱向受拉片材的最大拉伸應(yīng)力的率相關(guān)性均不明顯，且屈服平臺(tái)強(qiáng)度的率相關(guān)性也不明顯。但與縱向受拉片材相比，橫向受拉片材的伸長率較縱向受拉高。對(duì)于光面片材，通過圖6和圖7的對(duì)比可知，縱向受拉片材和橫向受拉片材最大拉伸強(qiáng)度隨拉伸速率的增加而增加的現(xiàn)象不明顯，即最大拉伸強(qiáng)度的率相關(guān)性不明顯。但與縱向受拉片材不同的是，橫向受拉片材隨拉伸速率的上升，其屈服平臺(tái)逐步上升，屈服平臺(tái)強(qiáng)度增大。當(dāng)拉伸速率為150 mm/min時(shí)，光面橫向受拉片材的屈服平臺(tái)與曲線最高點(diǎn)之間沒有明顯的下降段，第二屈服點(diǎn)不明顯，應(yīng)力應(yīng)變曲線在到達(dá)最大拉伸強(qiáng)度后沒有明顯下降。此外，縱向受拉片材的斷裂數(shù)量比橫向受拉片材斷裂的數(shù)量多。

圖6 不同拉伸速率下光面橫向受拉片材工程應(yīng)力應(yīng)變曲線Fig.6 The engineering stress versus strain curve of the transverse tensile smooth specimen under different stretching speed

圖7 不同拉伸速率下光面縱向受拉片材工程應(yīng)力應(yīng)變曲線Fig.7 The engineering stress versus strain curve of the longitudinal tensile smooth specimen under different stretching speed

圖8 不同拉伸速率下HDPE片材的最大拉伸強(qiáng)度Fig.8 The maximum tensile stress of the specimen under different stretching speed

圖9 不同拉伸速率下HDPE片材的屈服平臺(tái)強(qiáng)度Fig.9 The second yield value of the specimen under different stretching speed

4.3 拉伸速率影響分析

由圖8可看出HDPE片材的拉伸強(qiáng)度隨著拉伸速率的提高，光面片材的最大拉伸強(qiáng)度沒有顯著的變化。根據(jù)文獻(xiàn)[4]，在低拉伸速率下，HDPE片材單軸拉伸性能的率相關(guān)性表現(xiàn)較為明顯。但圖8表明，在拉伸速率大于50 mm/min后，光面HDPE片材拉伸強(qiáng)度的率相關(guān)性不明顯，其拉伸強(qiáng)度隨拉伸速率增加平均增加1.37%。與光面片材相反，花紋面片材拉伸強(qiáng)度的率相關(guān)性較光面片材更為明顯，拉伸強(qiáng)度隨拉升速率的增加平均增加5.02%。但從圖9中可看出隨著拉伸速率的上升，光面橫向受拉片材屈服平臺(tái)強(qiáng)度值上升較為明顯，在拉伸速率為150 mm/min時(shí)，屈服平臺(tái)上升至15.23 MPa，接近于其拉伸強(qiáng)度。以上現(xiàn)象表明，當(dāng)拉伸速率較大時(shí)，HDPE片材的拉伸強(qiáng)度的率相關(guān)性較為不明顯。對(duì)于光面橫向受拉片材，其屈服平臺(tái)值的率相關(guān)性較為明顯。

5 結(jié)論與展望

1)HDPE試樣型號(hào)和試驗(yàn)拉伸速率對(duì)片材的斷裂形式有影響。對(duì)于光面片材，當(dāng)拉伸速率為50 mm/min和100 mm/min，試樣的斷裂形式主要為I型斷裂；在拉伸速率為150 mm/min，光面片材的斷裂形式主要為II型斷裂。其次，對(duì)于花紋面片材，其斷裂形式主要以III型斷裂為主。

2)在拉伸速率大于50 mm/min時(shí)，光面橫向受拉片材的屈服平臺(tái)強(qiáng)度具有較明顯的率相關(guān)性?；y面片材最大拉伸強(qiáng)度的率相關(guān)性較明顯。

3)試驗(yàn)反映出來的工程應(yīng)力應(yīng)變曲線可為本構(gòu)方程的驗(yàn)證提供數(shù)據(jù)參考。因篇幅限制，本構(gòu)公式的研究及數(shù)值模擬于另外一篇文章中進(jìn)行詳細(xì)闡明。

4)通過HDPE片材的霍普金森拉桿試驗(yàn)所得數(shù)據(jù)，并結(jié)合本文試驗(yàn)，可以擬合得出應(yīng)變率效應(yīng)參數(shù)，進(jìn)而完善數(shù)值模擬中的材料參數(shù)和本構(gòu)方程。

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The mechanism property analysis of the uniaxial tensile experimental about the high density polyethylene

CHENZipeng1,2,SHIShaoqing1,2,LUOWeiming1

(1. Department of Civil Engineering, Logistical Engineering University, Chongqing 401311, China 2. Chongqing Key Laboratory of Geomechanics & Geoenvironmental Protection,Chongqing 401311, China)

Since the high density polyethylene(HDPE) is popularly used in areas such as the chemistry, construction and the military project, the types and the conditions for usage are verified. The uniaxial tensile test on the smooth surface specimens and the pattern surface specimens is performed, with different stretching speed and tensile directions. The experiment shows that the yield platform value of the smooth specimens also increases with the increase of the stretching speed, which is under the transversal tension. When the stretching speed is 150 mm/min, the smooth transversal tensile specimen has inconspicuous second yield point, which means that it has better performance on the tension. The rate dependence of the pattern specimens is more obvious and its value is 5.02% under 3 different stretching speed. However, the load the pattern specimens can undertake is lower contrast with the smooth specimens. It is easier for the pattern specimens to be broken than the smooth specimens, and it is also easier for the longitudinal tensile specimens to be broken than the transversal tensile specimens. Consequently, the smooth transversal tensile specimen has better tensile strength.

the uniaxial tensile test; the rate dependence; the direction dependence; the high density polyethylene

10.13471/j.cnki.acta.snus.2016.06.016

2016-06-30

全軍后勤科研計(jì)劃資助項(xiàng)目(BY211C015)

陳自鵬(1992年生)，男；研究方向：新型材料抗沖擊抗爆炸；通訊作者：石少卿;E-mail:ssq601@163.com

TQ

A

0529-6579(2016)06-0103-06