最大荷载对硬质聚氯乙烯疲劳裂纹扩展的影响_吴鹏飞.pdf

加工设备与应用CHINASYNTHETICRESINANDPLASTICS合 成 树 脂 及 塑 料，2023，40（3）：58DOI：10.19825/j.issn.1002-1396.2023.03.14硬质聚氯乙烯（UPVC）较一般聚氯乙烯强度高、耐腐蚀能力强、质地轻、水密性好，在使用中安装方便，普遍应用于化工、石油、水净化处理、通讯设施等行业1-4。作为一种高聚物，UPVC具有一般黏弹性材料共有的特性，即在外加荷载作用下弹性与黏性两种变形机制同时存在，主要力学特征与环境温度及所受荷载频率有关5。UPVC在使用过程中常暴露在恶劣环境中，受温度变化和各类风力、水力及土力的荷载影响，导致UPVC受疲劳荷载而发生断裂破坏，给使用带来安全风险。目前，对UPVC的研究大多是关于其制备与加工工艺、优化设计、一般力学性能和具体施工技术6-10。在断裂性能方面研究较少，主要是准静态及冲击断裂方面。吕婧等11研究了UPVC材料在型及/复合型加载下的准静态断裂性能；王振中等12研究了UPVC材料在含初始型及/复合型裂纹下的冲击断裂性能并对准静态及冲击加载下的断面形貌进行了分析；Ran Chun等13研究了UPVC材料/复合型断裂行为并分析了裂纹尖端的塑性变形。但鲜有针对UPVC材料疲劳断裂性能的研究，导致其发展及应用受到了限制。本工作通过应力比相同前提下改变循环荷载最大值进行疲劳裂纹扩展试验，采用Paris公式分析不同最大荷载对疲劳裂纹扩展性能的影响，并使用扫描电子显微镜对疲劳断口进行了观测，分析在不同最大荷载下疲劳破坏时的断口形貌。最大荷载对硬质聚氯乙烯疲劳裂纹扩展的影响吴鹏飞，杨邦成，梁亚运，刘羽男，代延辉（昆明理工大学 建筑工程学院，云南 昆明 650504）摘 要：为研究相同应力比下最大疲劳荷载对硬质聚氯乙烯（UPVC）疲劳裂纹扩展的影响，开展了单边缺口三点弯曲SE（B）试件型疲劳裂纹扩展试验，基于Paris公式绘制了疲劳裂纹扩展速率曲线，对试件断口微观形貌进行对比分析。结果表明：在不同荷载条件下，随着最大荷载降低，UPVC疲劳寿命增加；UPVC疲劳断裂过程符合次级断裂模式，最大荷载越大，断口微孔洞、纤维拉丝越明显。关键词：硬质聚氯乙烯 三点弯曲 疲劳裂纹扩展 断口形貌 中图分类号：TQ 325.1 文献标志码：B 文章编号：1002-1396（2023）03-0058-05Influence of maximum load on fatigue crack growth of UPVCWu Pengfei，Yang Bangcheng，Liang Yayun，Liu Yunan，Dai Yanhui（School of Civil Engineering，Kunming University of Science and Technology，Kunming 650504，China）Abstract：The fatigue crack growth test of unilateral notched three-point bending SE（B）specimen I type was completed to study the effect of different maximum fatigue loads on the fatigue crack growth of rigid polyvinyl chloride（UPVC）under the same stress ratio.The fatigue crack growth rate curve based on the Paris formula was drawn and the microscopic morphology of the fracture of specimen was analyzed.The results show that the fatigue life of UPVC is longer as the maximum load decreases under different load conditions.The process of UPVC fatigue fracture conforms to the secondary fracture mode.The greater maximum load is，the more micro voids and fiber drawing appear.Keywords：rigid polyvinyl chloride；three-point bending；fatigue crack growth；fracture morphology收稿日期：2022-11-27；修回日期：2023-02-26。作者简介：吴鹏飞，男，1997年生，硕士，2022年毕业于昆明理工大学建筑与土木工程专业，现主要从事材料疲劳与断裂分析工作。E-mail：。第 3 期.59.1 实验部分1.1 主要原料与设备UPVC板材，厚度15 mm，郑州明泰实业有限公司。MTS810型材料疲劳试验机，美国MTS系统有限公司；JSM-6510F型扫描电子显微镜，日本电子株式会社。1.2 实验过程裂纹扩展实验采用循环荷载法按GB/T 63982000开展，采用单边缺口三点弯曲SE（B）试件，试件尺寸见图1，其中，单边缺口尺寸为5 mm以及1 mm预制裂纹，厚度为15 mm。为便于后期裂纹扩展长度的数据处理，实验前对试件进行制斑：用砂纸打磨抛光形成精细结构后清洗表面，并在表面均匀喷上白色哑光漆涂料及细颗粒碳粉，形成对比度高的斑点图案。图1 试件尺寸示意Fig.1 Dimensional drawing of test piece6 mm50 mm190 mm210 mm缺口0510152025100 000 200 000 300 000 400 000 500 000裂纹扩展长度/mm循环次数/次1 500 N1 200 N1 100 N1 000 N900 N表1 UPVC的力学性能测试Tab.1 Mechanical properties of UPVC项 目屈服强度/MPa断裂伸长率，%弹性模量/GPa泊松比实验值46113.10.36标准要求45102.0图2 裂纹扩展长度与疲劳寿命的关系曲线Fig.2 Crack growth length as a function of fatigue life采用正弦交变荷载，研究不同最大荷载下UPVC板材的型疲劳裂纹扩展性能，保证应力比不变，以改变最大荷载来实现不同荷载作用下的裂纹扩展。实验前对每个试件预制1 mm初始裂纹，得到初始裂纹扩展长度为6.0 mm。设置应力比为0.2，加载频率为10 Hz，最大荷载分别设为1 500，1 200，1 100，1 000，900 N进行对比研究。实验过程中，裂纹每扩展0.20.5 mm时记录一次寿命并拍摄扩展过程图像，实验结束后采用扫描电子显微镜观察裂纹扩展各阶段断口形貌。1.3 测试与表征UPVC板材的力学性能测试方法按GB/T 1040.22006进行。2 结果与讨论2.1 试样的力学性能从表1可以看出：UPVC板材的性能符合GB/T 22789.12008要求。2.2 疲劳裂纹扩展分析从图2可以看出：在相同应力比下，含初始裂纹试件的疲劳寿命随着最大荷载的增加而减少，最大荷载为1 500 N时的疲劳寿命较900 N时降低了85.9%。随着最大荷载的增加，材料的疲劳寿命逐渐减小。计算裂纹扩展速率常用的方法有割线法、有限差分法、递增多项式法。本工作采用GB/T 63982017推荐的七点多项式法处理并计算裂纹扩展速率，见式（1）和式（2）。（1）（2）式中：a为裂纹扩展长度，mm；为扩展a时的裂纹扩展速率，mm/次循环；N为循环次数，次；a为循环Ni（i为数据点，i4）次时的拟合裂纹扩展长度，mm；b0，b1，b2为回归参数；-12b2（Ni-C1）/C221，C1=1/2（Ni-3+Ni+3），C2=1/2（Ni+3-Ni-3）。应力强度因子准确反映了裂纹尖端应力场强度，应力强度因子幅值参照GB/T 63982000计算，见式（3）。吴鹏飞等.最大荷载对硬质聚氯乙烯疲劳裂纹扩展的影响K=1.99-(1-)(2.15-3.93+2.7)(1-R)3/23SF2BW2(1+2)(1-)aK=1.99-(1-)(2.15-3.93+2.7)(1-R)23SF2BW2(1+2)(1-)a（3）式中：K为应力强度因子幅值，MPam1/2；B为试a=b0+b1+b2Ni-C1C22Ni-C1C2()=+adadNb12b2(Ni-C1)C2C22()合 成 树 脂 及 塑 料2023年第40卷.60.件厚度，mm；W为试件高度，mm；=a/W，S=4W，mm；Fmax为最大荷载，N；R为应力比。依据七点递增多项式公式及应力强度因子经验公式，利用Matlab软件编程计算得到裂纹扩展每一步对应的裂纹扩展速率及应力强度因子幅值，绘制了不同最大荷载下UPVC的疲劳裂纹扩展速率与应力强度因子幅值曲线。疲劳裂纹稳定扩展阶段是最重要的阶段，为研究这一阶段UPVC疲劳裂纹扩展性能，引入Paris根据大量实验提出的循环荷载作用下疲劳裂纹扩展速率与应力强度因子幅值关系的经验公式，即Paris公式 见式（4）。均应力小，裂纹需要扩展更长的距离达到断裂韧度，因此寿命长；但应力强度因子幅值相同、最大荷载较大时，裂纹扩展速率更快，寿命延长的效果被部分抵消15。C(K)=mdadN（4）式中：C，m为材料常数。从图3可以看出，不同最大荷载下，随着应力强度因子幅值的增加，UPVC的疲劳裂纹扩展速率大致呈幂指数增长，符合Paris公式，可分为三个阶段：近门槛值阶段（即裂纹扩展速率10-810-7 mm/次循环），裂纹扩展速率几乎为0；稳定扩展阶段和快速扩展阶段裂纹扩展速率增长呈一条直线，并且缓慢增长；快速扩展阶段裂纹扩展速率增长迅速。图3 材料裂纹扩展速率与应力强度因子幅值的关系曲线Fig.3 Crack growth rate of material as a function of stress intensity factor range 00.0020.0040.0060.0080.0100.51.01.52.02.53.03.54.04.5K/(MPa m1/2)1 500 N1 200 N1 100 N1 000 N900 NdadN截取稳定扩展阶段并绘制于双对数坐标中，从图4可以看出：最大荷载的变化对UPVC疲劳裂纹扩展速率有显著影响。应力强度因子幅值相同时，最大荷载越大，疲劳裂纹扩展速率越快。最大荷载由900 N增大到1 500 N，裂纹刚开始扩展时的应力强度因子幅值由0.95 MPam1/2增加到1.67 MPam1/2，进入快速扩展阶段的拐点由2.98 MPam1/2增加到3.53 MPam1/2。这说明在较小的应力强度因子幅值时，最大荷载越小，裂纹扩展越先进入稳定扩展阶段和快速扩展阶段14。疲劳裂纹扩展寿命的延长主要取决于平均应力和应力强度因子幅值的减小。应力强度因子幅值相同，平图4 稳定扩展阶段da/dNK拟合曲线Fig.4 Fitting curves of lg（da/dN）-K in stable expansion stage1.0010-21.0010-31.0010-41.0010-50.51.02.04.0K/(MPa m1/2)1 500 N1 200 N1 100 N1 000 N900 NdadN对式（4）两边取对数，得到式（5）。lg（da/dN）=mlg(K)+lgC （5）基于式（5）对UPVC材料稳定扩展阶段数据进行拟合，得到疲劳裂纹稳定扩展阶段不同最大荷载下材料的常数值，从表2看出：当最大荷载增加时，材料常数C减小，m增加，说明最大荷载对材料常数有影响。表2 Paris公式拟合参数Tab.2 Fitting parameters of Paris formula最大荷载/NC104m1 5004.313.411 2003.523.421 1002.843.441 0002.623.459001.603.542.3 疲劳断裂形态分析从图5a可看出，断口表面明显呈现出四个具有不同特征的区域：机械切口区（a点）、预制裂纹区（b点）、疲劳裂纹扩展区（c点为稳定扩展，e点为快速扩展。下同）和瞬时断裂区（d点。下同）。疲劳裂纹扩展区表现为相对平坦，这是因为扩展初期微裂纹的位移很小，裂纹在外加荷载作用下不断张开闭合，导致裂缝的两侧相互挤压和摩擦，从而在裂纹扩展面上形成较为光滑、平整的区域；瞬时断裂区表现为裂纹扩展至断裂，裂纹表面较为粗糙，出现抛物线型的拉长微坑。选取1 000 N加载，从图5b和图5c可以看出：试件在稳定扩展区均出现了由环状纤维围成的大小不同的微孔洞和一些凸起，在各微孔洞中有规格不等的颗粒状物，较大的颗粒物形成了大一点的微坑，二者的对应第 3 期.61.关系表明了颗粒物影响了UPVC的断裂，并且可以看出纤维拉丝，在裂纹扩展过程试件组织呈现大量纤维抽丝现象。由此可以判断UPVC材料在疲劳加载作用下属于韧性断裂。a 宏观断面数码照片 b c点SEM照片（3 000）c d点SEM照片（3 000）图5 试件的疲劳断口形貌的数据照片和扫描电子显微镜（SEM）照片Fig.5 Analysis of fatigue fracture morphology of test piecedecba5 m5 m纤维拉丝10 m10 m10 m10 m10 m10 ma c点（1 000 N）b c点（1 500 N）c e点（1 000 N）d e点（1 500 N）e d点（1 000 N）f d点（1 500 N）从图6可看出：在稳定扩展阶段（c点），最大荷载越大，断面上微孔洞越多且纤维拉丝更加明显；在快速扩展阶段（e点），微孔洞较稳定扩展阶段更大，可明显看到夹杂颗粒物，纤维拉丝增多，荷载越大，颗粒物与基体界面剥离越彻底；在瞬时断裂阶段（d点），颗粒物引起局部应力集中导致基体产生塑性变形使纤维拉丝颗粒物增加，最后颗粒物与基体界面剥离，荷载越大，会有更多颗粒物与基体界面剥离。由此表明，荷载越大，疲劳损伤表现得越明显。图6 不同最大荷载下的疲劳破坏过程形貌的SEM照片（1 000）Fig.6 SEM images of morphology of fatigue failure process under different maximum loads综上所述，UPVC疲劳断裂过程符合次级断裂模式：当材料达到临界条件时，在裂纹塑性屈服区的前端薄弱点周围会形成许多小的次裂纹。主裂纹由于塑性变形而变大，它们彼此重叠，导致主裂纹向前扩展。在复合次级裂纹的前端塑性屈服区的薄弱点附近，又产生了许多新的次级裂纹并进行再复合，使裂纹继续膨胀，并留下大量微孔洞。裂纹形成并扩展一定距离后，剩余强度不足以抵抗外荷载作用导致材料断裂。最终断裂部位的微坑抛物线特性可能与UPVC主要承受撕裂力有关；撕裂力使次级裂纹在生长和复合过程中沿裂纹扩展方向拉长，形成抛物线形的微坑。3 结论a）应力比相同，不同最大荷载对裂纹扩展速率有明显影响。随着最大荷载的增加，UPVC材料疲劳寿命缩短。最大荷载越大，疲劳裂纹进入稳定扩展阶段和快速扩展阶段的应力强度因子幅值越大，相同应力强度因子幅值时的裂纹扩展速率越快；基于Paris公式，获得了UPVC的材料常数且当最大荷载增加时，材料常数C增加，m减小。b）在三点弯曲疲劳裂纹扩展试验下，UPVC疲劳断口表现为纤维形貌、微孔洞和抛物线花样；荷载越大，疲劳损伤表现得越明显。c）断裂过程符合次级断裂模式。UPVC在疲劳加载作用下属于韧性断裂。吴鹏飞等.最大荷载对硬质聚氯乙烯疲劳裂纹扩展的影响（下转第77页）第 3 期.77.7 成都鑫成鹏高分子科技股份有限公司.一种电缆用135 热塑性低烟无卤阻燃材料及其制备方法：中国，106397991A P.2017-02-15.8 南通市启新塑业有限公司.一种高韧性低烟无卤阻燃聚丙烯电缆料及其制备方法：中国，115368671A P.2022-11-22.9 常州大学.一种低烟无卤的聚乙烯聚丙烯共聚物阻燃电缆料：中国，104927154A P.2015-09-23.10 天长市通联焊业有限公司.一种无卤低烟阻燃绝缘电缆材料：中国，107189195A P.2017-09-22.11 江苏东方电缆材料有限公司.一种热塑性无卤低烟隔氧层阻燃料：中国，114230895A P.2022-03-25.12 高静静.一种低烟阻燃电缆料及其制备方法：中国，110591229A P.2019-12-20.13 刁健.一种无卤阻燃电缆材料及其制备方法：中国，109337190A P.2019-02-15.14 中广核高新核材科技（苏州）有限公司.耐150 的汽车线用热塑性低烟无卤阻燃聚丙烯电缆料：中国，110591275AP.2019-12-20.15 大连中沐化工有限公司.一种无卤阻燃电缆料：中国，113337065A P.2021-09-03.16 安徽中鼎橡塑制品有限公司.用于电线电缆的无卤阻燃热塑性弹性体材料及其制备方法：中国，105860412B P.2019-03-12.17 广州敬信高聚物科技有限公司.一种新型无卤阻燃电线电缆专用材料及其制备方法：中国，104844948A P.2015-08-19.18 无锡杰科塑业有限公司.车内高压线用柔软型低烟无卤高阻燃耐油电缆料及其制备方法：中国，109251399A P.2019-01-22.19 江苏上上电缆集团有限公司.一种低烟无卤阻燃聚丙烯电缆料及其制备方法：中国，104629175B P.2017-08-18.20 欧宝聚合物江苏有限公司.一种低烟无卤阻燃聚丙烯及其制备方法：中国，106397976A P.2017-02-15.21 广东登峰电线电缆有限公司.一种耐热性的无卤低烟阻燃耐火电缆：中国，115449158A P.2022-12-09.22 扬州戎星电气有限公司.一种阻燃性电缆：中国，218274068U P.2023-01-10.23 合肥甘来智能科技有限公司.一种低烟无卤耐火加强型控制电缆：中国，109003732A P.2018-12-14.24 四川鑫电电缆有限公司.一种额定电压635 kV聚丙烯绝缘无卤低烟阻燃电缆：中国，209591642U P.2019-11-05.25 中天科技海缆股份有限公司.一种额定电压635 kV的聚丙烯绝缘耐火电力电缆：中国，216487364UP.2022-05-10.26 江苏长峰电缆有限公司.一种耐高压无卤阻燃绝缘电缆：中国，213635402U P.2021-07-06.27 江苏上上电缆集团有限公司.一种全生命周期低碳环保中压电力电缆制造方法及电缆：中国，115223760AP.2022-10-21.张冬梅等.电缆用无卤阻燃聚丙烯及其制备技术研究进展4 参考文献1 张国亮.塑料管的分类及应用研究 J.河南科技，2011，36（24）：63.2 曹刚.浅谈UPVC管在建筑供水方面的应用 J.山东化工，2015，44（8）：137；140.3 何玉琴.塑料管材及其在人饮工程中的应用 J.农业科技与信息，2021（7）：106-107；110.4 曹卫将.UPVC排水管在建筑排水工程中的应用实践思考J.建材与装饰，2019（29）：40-41.5 周小强.新型粘弹性阻尼材料复合板振动能量衰减特性研究 D.武汉：华中科技大学，2017.6 徐琳.硬质聚氯乙烯木塑挤出工艺 J.塑料助剂，2020，24（4）：50-52.7 刘丹莉.建筑给排水用低塑性聚氯乙烯管材的优化制备与工艺研究 J.粘接，2021，45（3）：15-18.8 谢玉辉.UPVC塑料管材与建筑排水优化设计 J.塑料工业，2016，44（3）：115-118.9 李园媛.建筑工程中常用塑料管材的性能对比与应用研究J.塑料科技，2020，48（2）：153-156.10 查湘义.建筑排水常用管材及施工工艺的探讨 J.民营科技，2018（6）：131.11 吕婧，杨邦成，冉春，等.聚氯乙烯复合断裂性能研究 J.力学与实践，2016，38（3）：269-274；282.12 王振中，杨邦成，吕婧.UPVC材料的断面形貌分析 J.低温建筑技术，2015，37（8）：12-14.13 Ran Chun，Yang Bangcheng.Plastic deformation and mixed-mode I/II fracture behavior of un-plasticized polyvinyl chlorideJ.Eng Fract Mech，2020，230：106973.14 吕斌，丁振宇，高增梁.不同应力比下U75V轨道钢疲劳裂纹扩展行为研究 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