UPVC疲勞與損傷性能的研究

梁亞運

摘要： 參照金屬材料疲勞裂紋擴(kuò)展速率試驗方法，采用材料疲勞試驗機對硬聚氯乙烯材料進(jìn)行了Ⅰ型疲勞裂紋的擴(kuò)展速度及裂紋擴(kuò)展機理的研究，測試得到了疲勞裂紋擴(kuò)展長度下所對應(yīng)的循環(huán)次數(shù)，進(jìn)而用割線法得出da/dN，再與ΔK擬合得到疲勞裂紋擴(kuò)展速率圖。接著選取了4 個典型的斷面區(qū)域進(jìn)行掃描電子顯微鏡拍照，得到了4 種斷面顯微組織并進(jìn)行斷面形貌分析。

Abstract： Based on the test method of fatigue crack growth rate of metallic materials， the fatigue crack growth rate and crack propagation mechanism of Type I fatigue crack of rigid polyvinyl chloride （PVC） are investigated by the material fatigue testing machine. The numbers of cycles corresponding to fatigue crack length growth are recorded during the text. And da/ dN is obtain by the secant method. Then， it is fitted with ΔK to obtain fatigue crack growth rate. Finally， four typical cross section areas are selected for scanning electron microscope to get the microstructures of 4 kinds of sections and analyze the section morphology.

關(guān)鍵詞： 硬聚氯乙烯；疲勞損傷；裂紋擴(kuò)展速率；斷面顯微組織

Key words： unplasticized polyvinyl chloride；fatigue damage；crack growth rate；microstructure of cross section

中圖分類號：TQ325.3 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1006-4311（2017）06-0172-04

0 引言

UPVC又稱硬PVC（Unplasticized Polyvinyl Chloride），它是用PVC 樹脂作為主要原材料， 在其中添加潤滑劑、穩(wěn)定劑等后再加熱， 在制管機中擠壓成不同壓力等級和各種規(guī)格型號的硬質(zhì)管材。由于其具有重量輕、耐腐蝕、強度較高等優(yōu)點，因而在供水管道工程的應(yīng)用方面具有廣闊的前景[1]。

隨著UPVC管應(yīng)用領(lǐng)域的擴(kuò)展，使用者對UPVC的綜合性能提出了更高的要求。UPVC材料在應(yīng)力作用下發(fā)生損傷、失效和斷裂行為是與材料使用年限密切相關(guān)的核心問題。作為工程塑料材料使用的UPVC材料損傷斷裂過程比金屬材料還要復(fù)雜，這過程涉及到高分子材料科學(xué)基礎(chǔ)、彈塑性力學(xué)、損傷與斷裂力學(xué)等力學(xué)學(xué)科，同時研究其斷裂破壞特征和抗破壞性能是能否合理利用UPVC材料并大面積推廣的關(guān)鍵因素[2]。到目前為止國內(nèi)外眾多學(xué)者對改善UPVC性能以及它的工程應(yīng)用做了大量的研究[3]-[10]，但是對UPVC材料的力學(xué)性能研究特別是疲勞損傷性能的研究始終止步不前，因此對UPVC材料疲勞損傷性能的研究及其在工程領(lǐng)域的應(yīng)用研究是當(dāng)前亟待進(jìn)行的一項課題。對此，筆者通過本文對這種材料的I型疲勞裂紋的擴(kuò)展速率、擴(kuò)展機理和斷面顯微組織進(jìn)行了全面的分析，并對UPVC材料的疲勞損傷機理進(jìn)行了較深入的研究。

1 實驗方面

1.1 原材料

UPVC板材

1.2 主要儀器及設(shè)備

材料疲勞試驗機：MTS810 型，美國MTS 系統(tǒng)有限公司；

掃描電子顯微鏡（SEM）：JSM-6510F型，日本電子株式會社。

1.3 試樣制備

由于UPVC材料沒有對應(yīng)的疲勞裂紋擴(kuò)展速率實驗的國家標(biāo)準(zhǔn)，因此實驗參照《金屬材料疲勞裂紋擴(kuò)展速率試驗方法》GB-T6398-2000進(jìn)行，首先將UPVC板材用切割機加工成標(biāo)準(zhǔn)三點彎試件；再用砂輪打磨機打磨得到試件；接著用手工鋸在試件上加工出長度為5mm、寬度為2mm的切口；然后再用美工刀在該切口上切出1mm的尖裂紋，制成標(biāo)準(zhǔn)純Ⅰ型試件，并由此得到210mm×50mm×15mm的試件（詳見圖1）。然后在試件切口旁約2mm的位置劃一道垂直于試件的上下底并平行于切口的直線作為標(biāo)記，再用放大鏡、美工刀和工具尺在直線上畫出刻度，最后將初始刻度線與尖裂紋頂端對準(zhǔn)。

1.4 實驗步驟

把預(yù)制的試件置于疲勞試驗機上，上沖頭與試件切口對正，下端支座跨度設(shè)為190 mm，通過疲勞試驗機沖頭上下往復(fù)地運動提供循環(huán)載荷。為了采集到相對準(zhǔn)確的實驗數(shù)據(jù)，在實驗過程中利用光學(xué)放大鏡和工具尺觀測并記錄疲勞裂紋擴(kuò)展的長度，最終得到疲勞裂紋每擴(kuò)展0.2～0.5 mm 時所對應(yīng)的循環(huán)次數(shù)。MTS 系統(tǒng)加載實圖如圖2 所示。

2 試驗數(shù)據(jù)及處理

2.1 實驗過程

疲勞6組實驗的參數(shù)如表1所示。

2.2 實驗處理方法

2.3 數(shù)據(jù)處理結(jié)果

6塊試件通過疲勞試驗得出試件的疲勞裂紋擴(kuò)展長度（a）—循環(huán)次數(shù)（N）曲線圖如圖3 所示，再觀察圖3 a—N曲線可以發(fā)現(xiàn)所有試件曲線形狀走勢一致，這可以得出在相同的載荷下，裂紋擴(kuò)展相同的單位長度所需循環(huán)次數(shù)大致一致。再通過對6組數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，就可以計算出每個裂紋擴(kuò)展點的da/dN 值與應(yīng)力強度因子（ΔK）值，進(jìn)而擬合出裂紋擴(kuò)展速率曲線圖，分別得出在荷載900-1500N之間的曲線圖如圖4，圖5，圖6，圖7，圖8，圖9所示。通過曲線圖發(fā)現(xiàn)，UPVC疲勞裂紋擴(kuò)展可定義為三個階段： 裂紋擴(kuò)展源階段、裂紋擴(kuò)展穩(wěn)定階段、裂紋快速擴(kuò)展階段。

從圖4可以觀察出，在最大荷載1500N作用下ΔK為 1.4MPa·m1/2以前是裂紋擴(kuò)展源階段，這個階段在循環(huán)作用下裂紋開始萌生。ΔK介于1.4～2.5MPa·m1/2為裂紋擴(kuò)展穩(wěn)定階段，每擴(kuò)展0. 5mm 所用循環(huán)次數(shù)大致在6000～1000 次左右，此階段循環(huán)次數(shù)大致為51000次，這個階段疲勞裂紋擴(kuò)展速率曲線呈現(xiàn)線性分布的特點，此階段可以認(rèn)定曲線為一條直線，數(shù)據(jù)在這個階段均勻地分布在直線的兩側(cè)。ΔK 超過2.4MPa·m1/2后進(jìn)入快速擴(kuò)展階段，每擴(kuò)展0.5mm 所用循環(huán)次數(shù)從1000次降到幾十次左右，此階段循環(huán)次數(shù)大致為6000次，這個階段也可認(rèn)定曲線為一條直線，數(shù)據(jù)沒有上一階段那么緊湊卻均勻地分布在所擬合的線段的兩側(cè)。

從圖5可以觀察出，在最大荷載1200N作用下ΔK為 1.3MPa·m1/2以前是裂紋擴(kuò)展源階段，這個階段在循環(huán)作用下裂紋開始萌生。ΔK介于1.3～1.95MPa·m1/2為裂紋擴(kuò)展穩(wěn)定階段，每擴(kuò)展0. 5mm 所用循環(huán)次數(shù)大致在5000～1000 次左右，此階段循環(huán)次數(shù)大致為113000次，這個階段疲勞裂紋擴(kuò)展速率曲線呈現(xiàn)線性分布的特點，此階段可以認(rèn)定曲線為一條直線，數(shù)據(jù)在這個階段均勻地分布在直線的兩側(cè)。ΔK 超過1.95MPa·m1/2后進(jìn)入快速擴(kuò)展階段，每擴(kuò)展0.5mm 所用循環(huán)次數(shù)從1000次降到幾十次左右，此階段循環(huán)次數(shù)大致為13000次，這個階段也可認(rèn)定曲線為一條直線，數(shù)據(jù)沒有上一階段那么緊湊卻均勻地分布在所擬合的線段的兩側(cè)。

從圖6可以觀察出，在最大荷載1100N作用下ΔK為 1.0MPa·m1/2以前是裂紋擴(kuò)展源階段，這個階段在循環(huán)作用下裂紋開始萌生。ΔK介于1.0～2.5MPa·m1/2為裂紋擴(kuò)展穩(wěn)定階段，每擴(kuò)展0. 5mm 所用循環(huán)次數(shù)大致在10000～1000 次左右，此階段循環(huán)次數(shù)大致為165000次，這個階段疲勞裂紋擴(kuò)展速率曲線呈現(xiàn)線性分布的特點，此階段可以認(rèn)定曲線為一條直線，數(shù)據(jù)在這個階段均勻地分布在直線的兩側(cè)。ΔK 超過2.5MPa·m1/2后進(jìn)入快速擴(kuò)展階段，每擴(kuò)展0.5mm 所用循環(huán)次數(shù)從1000次降到幾十次左右，此階段循環(huán)次數(shù)大致為4000次，這個階段也可認(rèn)定曲線為一條直線，數(shù)據(jù)沒有上一階段那么緊湊卻均勻地分布在所擬合的線段的兩側(cè)。

從圖7可以觀察出，在最大荷載1000N作用下ΔK為 0.9MPa·m1/2以前是裂紋擴(kuò)展源階段，這個階段在循環(huán)作用下裂紋開始萌生。ΔK介于0.9～1.95MPa·m1/2為裂紋擴(kuò)展穩(wěn)定階段，每擴(kuò)展0. 5mm 所用循環(huán)次數(shù)大致在5000～1000 次左右，此階段循環(huán)次數(shù)大致為219000次，這個階段疲勞裂紋擴(kuò)展速率曲線呈現(xiàn)線性分布的特點，此階段可以認(rèn)定曲線為一條直線，數(shù)據(jù)在這個階段均勻地分布在直線的兩側(cè)。ΔK 超過1.95MPa·m1/2后進(jìn)入快速擴(kuò)展階段，每擴(kuò)展0.5mm 所用循環(huán)次數(shù)從1000次降到幾十次左右，此階段循環(huán)次數(shù)大致為12000次，這個階段也可認(rèn)定曲線為一條直線，數(shù)據(jù)沒有上一階段那么緊湊卻均勻地分布在所擬合的線段的兩側(cè)。

從圖8可以觀察出，在最大荷載1000N作用下ΔK為 0.9MPa·m1/2以前是裂紋擴(kuò)展源階段，這個階段在循環(huán)作用下裂紋開始萌生。ΔK介于0.9～2.2MPa·m1/2為裂紋擴(kuò)展穩(wěn)定階段，每擴(kuò)展0. 5mm 所用循環(huán)次數(shù)大致在9000～800 次左右，此階段循環(huán)次數(shù)大致為212000次，這個階段疲勞裂紋擴(kuò)展速率曲線呈現(xiàn)線性分布的特點，此階段可以認(rèn)定曲線為一條直線，數(shù)據(jù)在這個階段均勻地分布在直線的兩側(cè)。ΔK 超過2.2MPa·m1/2后進(jìn)入快速擴(kuò)展階段，每擴(kuò)展0.5mm 所用循環(huán)次數(shù)從800次降到幾十次左右，此階段循環(huán)次數(shù)大致為10000次，這個階段也可認(rèn)定曲線為一條直線，數(shù)據(jù)沒有上一階段那么緊湊卻均勻地分布在所擬合的線段的兩側(cè)。

從圖9可以觀察出，在最大荷載900N作用下ΔK為 0.86MPa·m1/2以前是裂紋擴(kuò)展源階段，這個階段在循環(huán)作用下裂紋開始萌生。ΔK介于0.86～2.7MPa·m1/2為裂紋擴(kuò)展穩(wěn)定階段，每擴(kuò)展0. 5mm 所用循環(huán)次數(shù)約為20000～500 次，循環(huán)次數(shù)大概能達(dá)到404000次，所對應(yīng)的疲勞裂紋擴(kuò)展速率曲線具有顯著的線性特征（近似于直線），數(shù)據(jù)在這個階段均勻地分布在直線的兩側(cè)。ΔK 超過2.7MPa·m1/2后進(jìn)入快速擴(kuò)展階段，每擴(kuò)展0.5mm 所用循環(huán)次數(shù)從500次降到幾十次左右，此階段循環(huán)次數(shù)大致為4000次，這個階段也可認(rèn)定曲線為一條直線，數(shù)據(jù)均勻分布于所擬合的線段的兩側(cè)，緊湊程度不及上一階段。

2.4 分析斷口組織形貌

為了更好地研究UPVC 疲勞斷面的疲勞損傷機理，對在最大循環(huán)荷載1000N作用下的第二塊試件進(jìn)行掃描電鏡分析，選取了試件上四個不同的區(qū)域作為不同疲勞裂紋擴(kuò)展階段所呈現(xiàn)的SEM顯微組織形貌（見圖10）的分析依據(jù)，分別是疲勞裂紋擴(kuò)展源階段、疲勞裂紋擴(kuò)展穩(wěn)定階段、疲勞裂紋快速擴(kuò)展階段和瞬斷區(qū)域。

通過觀察疲勞區(qū)至瞬斷區(qū)的形貌（見圖10），在裂紋源階段放大300倍時在斷面上可以看到少量的坑洞和凸起。繼續(xù)放大到3000倍時發(fā)現(xiàn)斷面有少量的纖維抽絲。到裂紋穩(wěn)定擴(kuò)展階段放大300倍時在斷面上可以看到比裂紋源階段多了一點的坑洞和凸起，表面已經(jīng)變得粗糙。繼續(xù)放大到3000倍時發(fā)現(xiàn)斷面有許多的纖維抽絲。再到裂紋快速擴(kuò)展階段放大300倍時在斷面上可以看到比裂紋穩(wěn)定擴(kuò)展階段也多了許多坑洞和凸起，表面已經(jīng)變得更加粗糙。繼續(xù)放大到3000倍時發(fā)現(xiàn)斷面有更多的的纖維抽絲。最后到試件完全斷開后的瞬斷區(qū)的SEM 顯微組織呈現(xiàn)出大量纖維抽絲現(xiàn)象。

UPVC的斷口形貌皆為微坑形貌，如圖10所示。微坑的形狀大部分為等軸狀，但到了最后斷裂位置，則出現(xiàn)了形似拋物線形狀的拉長微坑，其頂點反向于裂紋擴(kuò)展方向。通過觀察在電鏡放大3000倍時斷面中許多微坑的中心往往存在著顆粒狀物。大的顆粒就形成了大一點的的微坑，顆粒與微坑的對應(yīng)關(guān)系，說明了這些顆粒在UPVC斷裂過程中起著重要的作用[11]。

3 結(jié)論

①UPVC疲勞裂紋擴(kuò)展階段包括三個發(fā)展階段，即裂紋擴(kuò)展源階段、裂紋擴(kuò)展穩(wěn)定階段和裂紋快速擴(kuò)展階段。其中第二階段具有顯著的線性特征，其疲勞裂紋擴(kuò)展速率曲線所對應(yīng)的斜率為0.0000004。

②宏觀觀察UPVC疲勞區(qū)斷面相對光滑，但是在電子顯微鏡下放大到300倍時發(fā)現(xiàn)斷面上有很多孔洞和凹坑，特別是隨著裂紋的擴(kuò)展斷面上的孔洞和凹坑越來越多，這些特征是典型的韌性斷裂的特征。當(dāng)電子顯微鏡放大到3000倍時，可以顯著地觀察到斷面上存在大量的纖維抽絲和拉扯，這是顯著的韌性斷裂特征。由此可以得出UPVC材料在疲勞階段的斷裂方式是偏韌性的，這個是與金屬材料的斷裂不同[12]。

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