（材料加工工程专业论文）pe80管材及其焊缝缓慢裂纹扩展行为研究.pdf

摘受 摘要 f 随着聚乙烯管材性能的不断提高，其应用领域日益扩大，尤其是在燃气输送 领域内已经得到越来越广泛的应用。在此背景下，人们对聚乙烯管材连接( 焊 接) 接头性能的研究日渐深入。其中，鉴于聚乙烯管材的缓慢裂纹扩展( s c g ) 行为对其断裂特性有重要影响，因而有关研究受到格外重视。由于聚乙烯管材与 焊缝的缓慢裂纹扩展过程受到多种随机因素的影响与制约而表现出显著的随机特 性，从而使得用确定性方法研究s c g 的思路受到挑战。为了充分体现缓慢裂纹扩 展具有显著的随机性这一特点，正确反映其内在的规律性，产本文首次进行了其统 计特性方面的研究，并运用随机过程理论分析了p e 8 0 管材和焊缝缓慢裂纹扩展 的随机涨落。 本文首先对p e 8 0 管材接头的蠕变特性进行了研究。在此基础上对p e 8 0 管材 与焊缝的s c g 过程进行了统计对比研究，分析了综合体现各随机因素作用的 s c g 曲线参量的概率分布，建立了相应的s c g 过程的随机模型。( 研究发现， p e 8 0 及其熔焊焊缝的s c g 是一种阶梯上升的过程，其中第一阶梯上、由蠕变钝化 控制变为蠕变损伤机制主导的转折时间( 临界时间) 对研究s c g 过程有重要意 义。分析结果表明，p e 8 0 及其熔焊焊缝s c g 过程第一阶梯的转变临界时间是一 随机变量，并符合威布尔概率分布。妓 s c g 过程随机性的一个重要方面是此过程具有明显的随机涨落。( 石开究表明， 该随机涨落本身为平稳随机过程。本文对此随机过程进行了相关分析和频谱分 析，建立了p e 8 0 管材及其熔焊焊缝s c g 过程随机涨落的2 阶自回归模型，并求 得了相应的连续功率谱密度函数。 p e 8 0 管材与其焊缝的对比研究结果表明，与管材相比，焊缝的s c g 抗力较 差，s c g 过程具有更大的分散性本文最后运用蒙特卡罗方法对p e 8 0 管材与焊 缝的s c g 过程进行了计算机随机模拟实验。模拟结果与实际实验相比具有较高 的一致性。 关键词： 9 5 8 0 管材j 焊壤缓慢裂纹扩展j 随机过程j 随机模拟j a b s t r a c t w i t ht h ef u r t h e ri m p r o v e m e n to f i t sp r o p e r t i e s ，t h ep o l y e t h y l e n e ( p e ) p i p e h a sb e e n w i d e l vu s e df o rg a s e o u sf u e l sd i s t r i b u t i o n a tt h es a m e t i m et h ep r o p e r t i e so f t h ew e l d e d j o i n to fp o l y e t h y l e n ei st h o r o u g hr e s e a r c h e dd a yb yd a y i nv i e w o ft h ei m p o r t a n c eo f t h es l o wc r a c kg r o w t h ( s c g ) o fp o l y e t h y l e n ea n di t s w e l d e dj o i n t ，t h es t u d yo fi t s c h a r a c t e r i s t i c si sb e i n gp a i dm o r ea t t e n t i o n b u tt h ep r o p e r t i e so ft h es c gp r o c e s sa r e a f f e c t e db ys om a n yr a n d o mf a c t o r st h a tt h et r a d i t i o n a ld e t e r m i n i s t i cr e s e a r c hm e t h o d i s c h a l l e n g e d i nt h i s t h e s i sw eh a v eb e e nd o n es o m er e s e a r c hw o r ko nt h es t a t i s t i c a l c h a r a c t e r i s t i c so ft h es c g p r o c e s s e so fp e 8 0 ( o n et y p eo fp o l y e t h y l e n e ) p i p ea n di t s w e l d e di o i n tf o rt h ef i r s tt i m ei no r d e rt od i s p l a yt h a tt h i sp r o c e s si ss t o c h a s t i c i nt h i s t h e s i s ，c r e e pp r o p e r t i e so ft h ep e s 0p i p ea n di t s w e l d e dj o i n ti ss t u d i e d ， b a s e do nw h i c hac o n t r a s ts t a t i s t i c a ls t u d yo nt h es c g p r o c e s si sc a r r i e do u t ，a n dt h e p r o b a b i l i t yd i s t r i b u t i o n so fs o m em a i nr a n d o mf a c t o r st h a t e f f e c to nt h ep r o c e s sa r e d i s c u s s e d b a s e do nt h ea b o v ew o r kar a n d o mm o d e lf o rt h es c g p r o c e s s i sc o n s t r u c t e d s t u d ys h o w s t h a tt h es c go fp e s 0 p i p eo ri t sw e l d e dj o i n ti sas t e p w i s er i s i n gp r o c e s s ， d u r i n gw h i c ht h e r e i sat u r n i n gp o i n t ，s oc a l l e dc r i t i c a lt i m e t h i sc r i t i c a lt i m ei s e s s e n t i a lt od e s c r i b ea l lt h ep r o c e s so ft h es c g p r o c e s s e x p e r i m e n t a lr e s u l ts h o w s t h a t t h ec r i t i c a lt i m ei nt h es c g p r o c e s so fp e 8 0p i p e o ri t sw e l d e dj o i n ti sar a n d o m v a r i a b l ea l s oa n di t sp r o b a b i l i t yd i s t r i b u t i o no b e y sw e i b u l lw e l l t 1 1 e r ei sa n o t h e ri m p o r t a n ta s p e c tr e f l e c t i n gt h es t o c h a s t i cc h a r a c t e r i s t i c so ft h e s c gp r o c e s s t h a ti s t h ep r o c e s se x h i b i t so b v i o u sr a n d o mf l u c t u a t i o n r e l a t e ds t u d y p o i n t so u tt h a tt h i sr a n d o mf l u c t u a t i o ni sas t e a d ys t o c h a s t i cp r o c e s s i nt h i st h e s i sw e p r o p o s e dc o r r e l a t i o na n a l y s i sa n ds p e c t r u ma n a l y s i so nt h i sp r o c e s sa n dc o n s t r u c t e da 2 r a n ka u t o r e g r e s sm o d e lf o ri t b a s e do nt h em o d e lw eo b t a i n e dt h ec o n t i n u o u s p o w e rs p e c t r a ld e n s i t y t h ec o n t r a s ts t u d yo nt h es c g p r o c e s sb e t w e e n t h ep e 8 0 p i p ea n d i t sw e l d e di o i n t s h o w st h a tt h el a t e re x h i b i t i n gm o r es t a t i s t i c a lv a r i a b i l i t yt h a nt h ef o n n e r i no r d e rt o i l l u s t r a t et h ea b o v ec o n c l u s i o n s t h o r o u g h l y , t h e r a n d o ms i m u l a t i o n e x p e r i m e n t i s c o n d u c t e db a s e do nt h er a n d o mm o d e lo f t h es c g p r o c e s sb ym e n t o r c a r l oa p p r o a c hi n t h ee n d t h er e s u l to f t h es i m u l a t i o ns h o w sh i g hc o n t i n u i t yt ot h ep r a c t i c ee x p e r i m e n t k e y w o r d s ：p e 8 0 p i p ew e l d i n g s l o wc r a c kg r o w t h s t o c h a s t i cp r o c e s sr a n d o ms i m u l a t i o n l l 第一章绪论 1 1 聚乙烯在管道工程领域中的应用与发展 高分子聚合物材料聚乙烯( p e ) 是工程塑料中的一个重要品种。它由众多大分 子聚合而成，其平均分子量在1 0 0 0 0 到1 0 0 0 0 0 0 之间。1 9 3 3 年，英国i c i 公司首 先发现了聚乙烯。如今的聚乙烯已是可由多种工艺方法生产、具有多种结构和特 性及多种用途的系列树脂，其产量已占世界各种合成树脂总产量的三分之一，居 各类合成树脂产量之首位。近几十年以来，随着塑料工业的发展，聚乙烯材料的 性能不断提高。先后出现了l d p e 、m d p e 、h d p e 等不同品种，超高分子量聚乙烯 ( v h m p e ) 也已经研发成功川。研究发现，聚乙烯材料的力学性能和功能特性强烈 依赖于其形态结构，并在很大程度上取决于其分子量和结晶度f 2 3 】。随着高分子材 料科学技术的飞跃进步，近年来出现了许多材料改性方法，如对聚乙烯进行交 联，通过聚乙烯分子间的共价键形成一个网状的三维结构等，使聚乙烯树脂的性 能，如热形变性、耐磨性、耐化学药品性、耐应力腐蚀开裂等一系列物理、化学 性能等都得到大幅度提高，进而在日常生活和工业生产中得到了广泛的应用。在 管道工程领域中，聚乙烯的应用与发展最为迅猛，大有“以塑代钢”的势头【4 j 。 目前全世界聚乙烯管材的年均消耗量达1 0 0 0 k t 以上，是继聚氯乙烯( p v c ) 之 后，居世界消耗量第二位的塑料管材用品。 聚乙烯管材具有许多卓越的特性，如耐低温、耐腐蚀、不泄漏、具有高韧 性、优良的挠性、良好的抵抗刮痕的能力、良好的快速裂纹扩展( r c p ) 抗力和 使用寿命长等【5 7 】，因而广泛应用于燃气输送、给水、排污、农业灌溉、矿山沙浆 输送以及油田、化工等管道工程领域 8 - 1 0 。在这些领域中，传统的管材材料，如 钢管或铸铁管的最大问题是在使用期内普遍发生的腐蚀或接头泄漏。聚乙烯管材 的应用，圆满地解决了传统管道材料的腐蚀和接头泄漏两大难题，如作为室外线 路管道铺设在腐蚀性土壤中，地震设防地区、山地和沼泽地区：作为承插管插入 旧管道中修复、更新旧管道等，为用户带来了巨大的经济效益。 聚乙烯材料用作燃气输送管道已有五十多年的历史。二战时期，由于铜与钢 材的短缺，国外开始研究在燃气输配领域使用塑料管道。按照应用的起始年代， 燃气输配用塑料管的材料分别为：醋酸一丁酸纤维素( 1 9 4 9 年美国) ，硬聚氯乙 烯( 1 9 5 0 年原西德) ，耐冲击聚氯乙烯( 1 9 5 2 年美国) ，环氧玻璃钢( 1 9 5 5 年 美国) ，聚乙烯( 1 9 5 6 年美国) ，涤纶( 1 9 6 3 年意大利) 和尼龙( 1 9 6 9 年澳大 利亚) 。经过淘汰，到6 0 年代后期，主要使用的是聚氯乙烯和聚乙烯管材。聚 第一章绪论 氯乙烯管材虽然强度大，成本低廉，但与聚乙烯管材相比更脆，更易断裂，且缺 乏可挠性，不能盘卷，接触溶剂时的可靠性差，因此用量也已大幅减少。而自 1 9 5 6 年铺设第一条聚乙烯燃气管道以来，到7 0 年代，在欧洲和北美，聚乙烯管 道在燃气领域得到迅速的推广应用。这一方面是由于用聚乙烯材料制作管道具有 非常明显的技术经济优势，另一方面是因为聚乙烯管道的原料性能、管材、管件 制造工艺、连接方法、连接机具以及运行中的维修手段等，经过多年的实践已形 成完善的配套系统。时至今日，在燃气输配领域，无论是铺设新管还是修复和更 新旧管道，聚乙烯管材都是欧美国家的首选。如英国、丹麦等国p e 燃气管道普 及率均超过了9 0 。法国1 9 9 8 年新铺设的燃气管道几乎百分之百采用了聚乙烯管 材。早在1 9 8 8 年，在慕尼黑召开的国际煤联( i g u ) 配气委员会会议上，委员们就 一致认为聚乙烯( p e ) 埋地燃气管道质量可靠，运行安全，维护简便，费用经济。 这种共识显然是五十年来将聚乙烯管道与其它材质管道反复比较、相互竞争后达 成的。这首先是基于p e 管材优良的综合性能，其次是源于p e 的原料性能、管 材、管件制造工艺、连接方法、连接机具以及运行中的维修手段等，经过多年的 实践取得了革命性的进步。 我国从8 0 年代初期开始在燃气输配领域试用聚乙烯管材】。从1 9 8 2 年上海 最早使用聚乙烯管材输送城镇燃气到现在的二十年问，与发达国家相比，我国聚 乙烯管材的用量仍然有限。据统计，1 9 9 8 年p e 管材用量大约在3 0 0 0 5 0 0 0 t ，只 占当年全国燃气管道铺设量的1 0 以下，这与当代国际水平相比还有相当大的距 离。为推动我国聚乙烯燃气管材的广泛应用，1 9 8 7 年国家科委把“聚乙烯燃气管 专用料研制和加工应用技术开发”列为国家“七五”科技攻关项目，对p e 专用原料 管材、管件加工工程应用标准规范制定进行了系统研究，取得了丰 硕成果。1 9 9 5 年，国家技术监督局、建设部分别颁发了p e 燃气管材、管件的国 家标准和行业规程【l “。目前，国内已基本掌握了p e 燃气管道的生产与铺设技 术，引进了相当数量具有国际一流水平的p e 管材生产线，形成了相当规模的生 产能力，为我国聚乙烯燃气管道的发展奠定了基础。1 9 9 9 年，国内聚乙烯燃气管 材的产量已近l 万吨，并继续以2 0 的年增长率向前发展。 1 2 聚乙烯管材的连接及性能评价、 1 2 1 聚乙烯管材的连接 连接技术的优劣，直接关系到聚乙烯燃气管网系统的运行效果和使用寿命。 聚乙烯管材的连接原理是：聚乙烯一般在1 9 0 2 4 0 之间熔化( 不同p e 原料的 熔化温度一般也不相同) ，此时若将两管材( 或管件) 熔化的部分充分接触，并 第一章绪论 保持有适当的压力，待冷却后接触面便可牢固地融为一体，接头强度可达到与管 材本身的强度相当。 按接头配合方式的不同，聚乙烯管材的连接方法一般有两种热板对接熔 焊和电热熔焊连接。热板对接熔焊是在两节待焊的管材之间放置- - j m 热板。加热 板升温使管材接头部位熔化，然后撤掉加热板并施加适当的压力使熔化的接头相 互接触，从而实现两管材之间的连接。电热熔焊是借助特制管接头中内置的电阻 丝加热使被连接的管材膨胀，外表面熔化从而达到用管接头连接管材的目的。有 关研究表明，连接接头的性能是影响聚乙烯管道结构完整性及持久强度的重要环 节 1 3 1 4 】。 1 2 2 聚乙烯管材的力学性能评价标准 按照密度大小，聚乙烯管材分为低密度及线型低密度聚乙烯( l d p e 及 l l d p e ，密度为0 9 0 0 0 9 3 0 9 c m 3 ) 、中密度聚乙烯( m d p e ，密度为0 9 3 0 - 0 9 4 0 9 c m ) 和高密度聚乙烯( h d p e ，密度为0 9 4 0 0 9 6 5 9 c m 3 ) 三种。 p e 管材的力学性能评价指标有短期和长期之分。短期力学性能指标包括拉伸 弹性模量、拉伸强度、冲击韧度、断裂韧度以及管材的短期静液压强度等 1 5 - 1 8 】。 长期力学性能指标有最小要求的静液压强度( m r s ) 、快速裂纹扩展( r c p ) 和缓慢裂 纹增长( s l o wc r a c kg r o w t h ，s c g ) 抗力等。 长期静液压强度是指连续施加5 0 年造成聚乙烯管材破坏时管壁上的环向张 应力。根据聚乙烯管材m r s 值的不同将其分为p e 3 2 、p e 4 0 、p e 6 3 、p e 8 0 和p e l 0 0 五个等级。目前用量最大管材的m r s 值为8 o m p a ( p e 8 0 级) 。m r s 值为 1 0 m p a ( p e l 0 0 级) 的管材树脂也已开发成功，为提高p e 管网的输送压力、增大管 道口径、扩大管道应用范围创造了良好的条件。p e 管材m r s 的测定已有标准方法 ( i s o t r 9 0 8 0 ：1 9 9 2 ) u g 。 快速裂纹扩展是指塑料管材沿轴向以很快速度丌裂的破坏模式。世界各国的 应用实践证明，塑料管材存在快速开裂的危险，在管材直径大和服役温度低的场 合尤其如此。塑料压力管道开裂时，裂纹能够以1 0 0 5 0 0 m s 的速度增长，瞬间 即可造成几十米甚至几千米管道开裂及可燃性气体或有害物料大量泄漏的灾难性 事故【2 0 l 。近年来，国内外对p e 管材抵抗快速裂纹扩展( r c p ) 的能力进行了很多 研究和实验 2 1 - 2 3 】，并建立了各种评价管材快速裂纹扩展阻力的实验方法阶2 7 1 。 缓慢裂纹扩展( s c g ) 是指塑料管材在长时间、低载荷作用下的破坏机制与 断裂模式。在本质上，这种破坏是由蠕变引起的，是一种与时间相关的断裂【2 3 1 1 3 一 第一章绪论 蠕变条件下的s c g 过程受两种蠕变机制的制约1 3 1 1 ：即因蠕变变形而产生的裂 纹尖端钝化和因裂纹前端微裂纹和空洞的形成而产生的蠕变损伤积累。裂纹尖端 钝化会降低裂纹尖端应力奇性，延缓或阻止裂纹扩展：相反蠕变损伤积累则会促 使裂纹扩展。裂纹能否扩展取决于那种蠕变机制起主导作用。缓慢裂纹扩展在p e 管材整个断裂过程中占十分重要的地位。 研究结果表明，影响p e 材料s c g 过程的因素主要有：温度、应力、分子量 和分子量分布、热历史、支链数目和长度、应力集中点的几何形状、玻璃化转变 温度、结晶情况等阻3 6 l 。此外材料的成型工艺、接头加工的焊接工艺、加载方 式、材料强度以及服役环境等因素也会对聚乙烯管材的s c g 过程产生重要影响 3 7 1 。不难理解，众多因素的影响结果使得聚乙烯的s c g 过程表现出明显的统计 分散性，或者说聚乙烯管材缓慢裂纹扩展过程并非是确定性过程，而是一个与时 间相关的随机过程。因此，运用随机过程理论来研究它的性质也就是顺理成章的 事了。就研究方法而言，这是已有的关于s c g 的研究尚未涉足的领域。 1 3 本文的主要研究内容 铺设p e 燃气管道需要焊接。目前已有的关于聚乙烯管材焊缝力学行为的研 究主要集中在对其短期力学性能的评定上，对其s c g 行为的研究则鲜有涉足。然 而，由于熔焊缺陷的存在和蠕变变形在焊缝部位的集中，使得蠕变开裂更容易在 p e 管材的焊缝区内萌生。因此，对p e 管材焊缝的s c g ( s l o wc r a c kg r o w t h ) 特 性的研究同样是十分必要的。 p e 8 0 等级的m d p e 是目前专用于铺设燃气输送压力管道的主导管材。本文旨 在运用随机过程理论研究p e 8 0 管材热板熔焊焊缝的缓慢裂纹扩展过程，并通过 与管材s c g 过程的比较来评定焊缝s c g 抗力的优劣。 将随机过程理论应用于聚乙烯管材与焊缝s c g 过程的研究是一种新尝试。在 通过s c g 实验掌握充分的p e 8 0 管材和焊缝的缓慢裂纹扩展数据资料的基础上， 本研究拟从蠕变性能和s c g 实验现象出发，用非线性数据拟合方法估计p e 8 0 管 材和焊缝的缓慢裂纹扩展的确定性趋势；用随机过程理论和方法建立相应过程的 随机模型，估计模型中的有关参数：建立相应的随机时序差分方程一自回归 ( a r ) 模型，从统计特征参量上探讨p e 8 0 管材和焊缝的缓慢裂纹扩展过程的差 异，评价焊缝的s c g 抗力。最后对p e 8 0 管材与焊缝的s c g 过程进行随机模拟， 实现s c g 过程的数值再现。 苎三兰! ! 鱼壅竺丝茎丝墨坌堑 第二章s c g 实验及其结果分析 2 1s c g 实验 2 1 1s c g 试样的制备 实验用聚乙烯管材为山东胜利油田股份有限公司塑胶分公司生产的燃气用埋 地m d p e 管材p e 8 0 。管材的公称直径为1 6 0 m m ，s d r ( 公称外径壁厚) 值为1 7 6 。 该管材已在天津市西青区实际用于天然气输送管道的铺设。用热板对接热熔焊方 法对该管材进行焊接，焊接设备为b f - 3 1 5 型管材热板对接自动焊机，焊接规范采 用实际的工程施工规范，见表2 - 1 。该管材及其熔焊接头在室温和8 0 c 下的基本力 学性能参数如表2 2 所示。 表2 - 1p e 8 0 管材的焊接工艺规范 表2 - 2p e 8 0 管材及其熔焊接头的力学性能i ”i 管材及其熔焊接头s c g 试样的取样位置如图2 一l 所示。 p e 8 0 管材试样熔焊接头试样 图2 - 1p e 8 0 管材与熔焊接头s c g 试样的取样位置 s c g 试样为单边缺口拉伸试样，试样尺寸及加载方式如图2 2 所示。试样加工 方法符合g b 8 8 0 4 2 8 8 热塑性塑料管材拉伸性能实验方法一聚乙烯管材的规定。 试样上的单边缺口是由厚度为0 2 m m 的薄刀片压制而成的【3 0 】，缺口深度为4 m m 。 一5 一 蔓三茎! ! 壁壅丝丝基竺墨坌堑 图2 - 2s e g 试样尺寸及加载方式 2 1 2s c g 实验过程 p e 8 0 管材及其熔焊接头试样的s c g 实验参照a s t m 标准f 1 4 7 3 9 7 ( ( s t a n d a r d t b s tm e t h o df o rn o t c ht e n s i l et e s tt om e a s u r et h er e s i s t a n c et os l o wc r a c kg r o w t ho f p o l y e t h y l e n ep i p ea n dr e s i n s ) ) 的规定在专用的s c g 实验装置【3 9 1 上进行。实验温度 设定为8 0 c ，实验中实际的温度变化范围在7 9 6 c 8 0 4 c 之间。试样拉伸应力保 持为恒定的2 4 m p a 。实验过程中用读数显微镜测量【4 0 l 表征试样s c g 过程的特征量 裂纹表面张开位移c o d 和裂纹长度a ( 见图2 - 3 ) 随载荷作用时i 司t 的变化。 图2 3 读数显微镜测量s c g 过程的示意图 一6 一 第二章s c g 实验及其结果分析 2 1 3s c g 实验结果 p e 8 0 管材和熔焊接头各l o 个试样的s c g 实验结果如图2 4 和图2 5 所示( 图 中的纵坐标占表示c o d 值的增量，即实测的c o d 与其加载开始的初值之差，下同) 。 由图2 4 和2 5 可见随着加载时间t 的增加，艿呈阶梯状上升的演变规律，且 两种试样的实验结果均具有较大的分散性。比较而言。熔焊接头试样的占值增长 更快，分散性也更大。 8 0 0 7 0 0 6 0 0 5 0 0 e j4 0 0 3 0 0 2 0 0 1 0 0 o o3 0 06 0 0 9 0 0 1 2 0 t 0 1 ( 5 m 0 0 i n l ) 8 0 0 2 1 0 0 2 4 0 0 2 7 0 0 3 0 0 0 ( a ) p e 8 0 管材 8 0 0 7 0 0 6 0 0 5 0 0 譬加o 。3 0 0 2 0 0 1 0 0 0 8 0 0 7 0 0 6 0 0 5 0 0 e 14 0 0 c 。3 0 0 2 0 0 1 0 0 o 03 0 0 6 0 0 9 0 01 2 0 0 1 5 0 0 1 8 0 0 2 1 0 0 2 4 0 0 2 7 0 0 3 0 0 0 t ( m i n ) ( b ) p e 8 0 管材熔焊接头 图2 - 41 0 个试样的s c g 实验结果 o3 0 0 o9 住叩2 ：器r 2 1 0 0 2 4 0 0 2 7 0 0 3 0 0 0 ( a ) p e 8 0 管材 8 0 0 7 0 0 6 0 0 5 0 0 莹4 0 0 3 0 0 2 0 0 1 0 0 0 03 0 0 6 0 0 9 0 01 2 0 0 1 5 0 0 伯0 0 2 1 0 0 2 4 0 0 2 7 0 0 3 0 0 0 t ( m i n ) ( b ) p e 8 0 管材熔焊接头 图2 - 5 单个试样的s c g 实验结果 一 一 一：文矗 一 一每茹 一 ：一一 t -二- 一 p i r 鼍 一 膏_= _鹾 ， 一 一 - 一 一 兰三童! ! q 壅竺墨基竺墨坌堡 一 2 2 实验结果分析 2 2 1s c g 过程的微观机理 p e 是粘弹性材料。显微观察表明，p e 材料受恒定低值拉应力作用而发生的 s c g 破坏具有如下特点p q ： 1 、p e 材料的s c g 过程造成的是塑性破坏。破坏区包括三个部分，如图2 - 6 所示。图中的c 段为塑性损伤区，由一系列粗纤维组成。其中p e 材料的分子结合 已遭破坏，但连结大分子尚未伸直。b 段为过渡区，该区内的连结大分子已被拉直， 其实体为微纤。a 段为已断裂区，区内纤维已被拉断。 2 、s c g 过程的破坏区一直保持为楔三角形，其张角a 几乎不变。a 的值很小。 一般为7 1 0 0 ( 见图2 6 、图2 7 ) 。 图2 - 7s o ；过程的裂尖破坏情况” 由图2 7 可见，是蠕变过程造成了p e 材料的缓慢裂纹扩展。在裂纹尖端区聚 乙烯材料中存在的某些夹杂物与基体结合力较弱，以致在应力的持续作用下沿其 界面被拉开形成微孔；材质中某些结合力较弱的微单元也可能被拉断形成孔穴， 相邻微孔的长大会互连成为更大的微孔，造成所谓蠕变损伤。蠕变损伤的继续发 展使靠近裂尖的材料纤维化。裂尖材料纤维的逐渐被拉长，变细和断裂使s c g 过 程得以延续，该过程的示意如图2 8 所示。 笙三雯! ! 鱼壅墼丝茎竺墨坌堑 2 2 2s c g 过程分析 由图2 - 4 可见，在8 0 和2 4 m p a 恒拉伸应力的作用下，无论是对p e 8 0 管材 还是熔焊焊缝，表征其s c g 过程的占t 关系均呈现同样的阶梯上升形状【4 2 1 ( 见图 2 - 9 ) 。这表明在s c g 过程中，c o d 值的增长是裂尖区蠕变钝化和蠕变损伤积累机制 相互转换的结果。 为了证实图2 9 中的占中是否含有蠕变钝化的贡献，在同样的实验条件下( 8 0 ，2 4 m p a 拉伸) ，进行了p e 8 0 管材熔焊接头试样的蠕变实验，试样尺寸同见图 2 - 2 ( b ) ，但试样上无缺口。蠕变实验结果如图2 1 0 所示。由图2 一l o 可见，在相 当于图2 4 中的s c g 时间历程5 倍的蠕变过程中，熔焊接头试样的蠕变变形r = 以- m 1 。趋向定值0 0 4 3 。换言之，若无裂尖的应力奇性诱发，蠕变损伤在本文 s c g 实验条件下，则不会发生。 图2 - 9s c g 过程示意图 将图2 1 0 中上凸的蠕变变形曲线与图2 9 相比较，则不难把蠕变钝化和蠕变 损伤积累各自对表征s c g 过程的c o d ( 占) 的贡献区分开，定性的区分见图2 9 。蠕 变钝化和蠕变损伤积累机制共同控制着p e 材料的s c g 的进程。当蠕变钝化占据主 一9 一 苎三兰! ! 竺壅竺丝茎竺墨坌堑 导地位时，s c g 过程进入减速阶段，艿虽继续增大但裂纹并不向前扩展。在拉伸应 力的继续作用下，裂纹尖端的材料性能逐渐下降，裂尖应力奇性增大”，裂尖蠕 变损伤加剧。这为随后的裂纹扩展提供了必要条件。当裂纹尖端的蠕变损伤积累 达到一定程度时，纤维化的裂尖材料发生断裂，裂纹向前扩展，占迅速增加。将 裂尖材料从蠕变钝化为主向蠕变损伤积累为主的机制转变的时刻定义为s c g 过程 的i 临界时间，如图2 - 9 中的0 所示。在t 。时刻以后，s c g 过程转入加速阶段，裂 纹长度增加，占变化加速。但在s c g 过程的初始阶段，以裂尖的蠕变损伤积累为 基础的裂纹扩展还不可能一直持续下去。当裂纹扩展进入蠕变损伤积累不足的区 域后，s c g 过程再次被抑制，裂尖又开始蠕变钝化，占增速变缓。这样的扩展机 制构成了s c g 过程艿t 关系的阶梯状轨迹。在s c g 过程中裂纹的缓慢扩展和艿变 化的示意如图2 - i1 所示。随着s c g 过程的进行，占t 曲线上的蠕变钝化时间将越 来越短，裂尖的蠕变损伤积累会越来越快，占的变化呈加速趋势，最终将导致试 样断裂。 o ￥ 罡 苗 o e o 0 0 5 0 0 4 0 0 3 0 0 2 o 0 1 0 0 0 03 0 0 06 0 0 00 0 0 01 2 0 0 01 5 0 0 0 t ( m i n ) 图2 - 1 0p e 8 0 管材熔焊接头的蠕变变形 一一上一 图2 - 1 1s c g 过程示意 一1 0 一 兰兰兰! ! 竺苎堡竺竺兰箜堡 _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ 一 不o 8 0 0 7 2 0 6 0 5 6 0 4 8 0 言4 0 0 j 一3 2 0 2 柏 1 6 0 8 0 0 8 0 0 7 0 0 6 0 0 5 0 0 言4 0 0 j i 3 0 0 2 0 0 1 0 0 o 第三章s c g 过程的统计特性 3 1s c g 实验曲线的相似性 对图2 - 4 中的实验结果进行数据平滑处理后得到的s c g 实验曲线如图3 1 所 图3 - ip e 8 0 管材( a ) 与其熔焊焊缝( b ) 的6 一t 关系曲线 由图3 1 可见，p e 8 0 管材和熔焊焊缝的s c g 过程虽呈现较大的分散性，但其 实验曲线均具有相似的阶梯型形态，其相似程度的大小可用相关系数，衡量： 。删 式中， 表示内积，i | | | 表示模，巧， ( 3 - 1 ) 占，( i ，) 分别代表不同试样实验 第三章s c g 过程的统计特性 h 一 的j 一，关系。对于离散化的s c g 实验数据，可用向量d 尸( d 胁磊，d d m ) 和点尸( 如， 国，如，籼) 替代连续的4 和t ，的计算公式相应的改变为： 矗j 止 露罱 ( 3 2 ) 利用式( 3 - 2 ) ，分别以各自试样中序号为0 的试样为比较基准计算的p e 8 0 管材和 熔焊焊缝s c g 曲线的相关系数b 和 ，( 下标p 、r 分别表示管材和焊缝) 如表3 - 1 所示。 分析表3 - 1 则不难发现，p e 8 0 管材和焊缝的两组s c g 实验数据各自都有较高 的相似性，平均相关系数都在0 9 以上，这说明其中蕴涵有确定性变化规律。r w 的变异系数较，口的大，说明焊缝s c g 数据的分散性较管材的大，这与前文的分析 是一致的。 表3 - ip e 8 0 管材与熔焊焊缝的s c g 数据的相似性 相关系数 项目 r v ，- 0 0l1 o 10 9 0 0o 9 3 l 0 20 9 7 10 9 7 8 试 o 30 9 2 3o 8 1 4 样 0 40 9 6 80 8 9 6 0 50 8 5 60 8 4 6 组 o 培0 9 4 00 9 6 6 合 0 7o 9 2 l 0 9 9 2 0 80 8 9 i0 9 6 6 0 90 9 2 00 8 3 5 均值 0 9 2 90 9 2 2 统特 标准差0 0 4 20 0 7 0 计征 变异系数0 0 4 50 0 7 6 3 2s c g 过程的确定性规律 前已述及，p e 8 0 管材与熔焊焊缝的s c g 过程受裂尖材料蠕变钝化和蠕变损伤 积累机制的共同制约，这两种机制的相互转换，使得s c g 实验曲线呈现重复性阶 梯上升形态。就整个s c g 过程而言裂尖材料第一次由受蠕变钝化过程控制转换为 2 一 第三章s c g 过程的统计特性 受蠕变损伤积累机制主导的过程对评价该材料的s c g 抗力具有最重要的价值。因 为这种转换过程一旦出现，即表明s c g 已经发生，持续下去的过程将是这种转换 的再现。基于这样的认识，本节将着重讨论s c g 实验曲线上第一个阶梯蕴涵的确 定性规律( 见图3 - 1 ) 。 图3 - 1 中s c g 实验曲线的第一阶梯可以表达为： 6 = 一+ t ，p ( f = 0 ，1 ) ( 3 3 ) 当i = 0 时，式( 3 - 3 ) 表征受蠕变钝化过程控制的艿一t 曲线上占变化减缓的上凸 段：当i = 1 时，式( 3 - 3 ) 表征蠕变损伤积累过程主导的万变化加速的下凹段。用 式( 3 - 3 ) 对p e 8 0 管材和焊缝s c g 实验曲线的第一阶梯分段拟合的结果如表3 2 、 3 - 3 所示。表3 4 为p e 8 0 管材与熔焊焊缝的式( 3 - 3 ) 拟合参量的统计特征值对比。 表3 - 2p e 8 0 管材s c g 曲线的拟合参量 试样 占。凸“占_凸厶 血 序号 ( um )( x 1 04 )( m i n )( pm )( 1 02 )( m i n ) 09 2 3 0 9- 9 20 6 41 9 2 64 2 6 48 31 2 00 2 6 60 7 4 42 5 l8 2 0 11 0 5 2 0 l一1 2 8 1 822 0 9- 9 3 7 39 90 9 50 6 7 407 8 21 0 4 1 5 6 21 0 5 8 0 1一1 1 8 0 32 4 1 856 0 39 77 5 90 5 4 6o6 3 38 5 3 5 1 31 0 57 7 41 0 53 8一1 5 1 8- 54 7 81 0 15 7 500 4 90 7 6 22 5 99 2 4 41 4 89 2 4一1 5 42 4一1 6 2 274 4 21 4 45 6 000 7 90 7 2 91 7 78 4 0 51 3 50 7 75 0 5 808 0 54 0 5 31 3 19 7 200 0 21 0 1 83 6 53 4 1 61 3 98 1 61 4 6 5 536 8 0一1 5 2 01 3 20 4 104 2 40 4 7 l2 2 8 7 2 71 6 35 5 9- 1 6 42 8一1 9 9 一3 1 8 51 5 77 7 400 6 20 6 0 69 7 2 7 0 89 80 9 6- 1 0 5 0 626 1 93 4 4 38 9 5 8 006 6 50 5 8 i1 3 02 1 9 91 6 33 6 01 6 3 1 9一l3 7 l- 32 7 51 5 96 1 900 5 50 8 9 64 7 65 9 1 表3 - 3 熔焊焊缝s c g 曲线的拟合参量 试样占o凸“ 占。 c f i 岛 序号( um )( 1 0 1 )( r a i n )( i im )( 1 02 )( m i n ) 02 2 69 8 42 2 6 5 03 0 0 70 2 2 82 2 1 4 6 80 4 9 80 5 4 52 3 24 5 1 12 9 73 7 73 0 5 4 6一l8 2 5- 0 0 8 42 8 8 1 3 900 5 31 0 0 25 5 6 8 2 21 7 94 5 9一1 7 92 33 0 1 609 3 61 7 03 5 00 0 2 909 8 31 0 98 6 4 33 1 1 1 8 83 1 4 5 z一09 5 6 13 7 83 0 7 6 5 5o0 0 2 l2 0 55 6 39 9 l 42 3 59 6 22 4 0 0 9一l1 7 85 2 9 22 2 63 5 30 0 0 807 6 61 1 74 6 0 52 0 34 4 82 2 8 0 9 17 5 19 9 3 71 8 9 2 5 200 8 607 6 09 37 8 9 62 5 84 2 82 5 8 2 3- 23 5 3一1 0 1 92 5 67 2 800 1 51 1 1 54 5 34 9 8 71 4 87 2 l一1 8 7 3 li7 8 7一1 4 1 81 4 44 5 200 0 81 0 5 01 9 1 3 5 3 82 5 81 1 72 5 80 72 5 4 7一o5 1 72 4 87 6 900 3 80 7 6 81 9 1 2 l l 91 6 6 1 6 82 0 1 2 l一2 2 5 699 2 41 5 23 6 60 2 8 3o7 1 59 6 5 q 4 第三章s c g 过程的统计特性 表3 4p e 8 0 管材与熔焊焊缝s c g 曲线拟合参量的统计特征值 占。凸“ 占， c tr 统计特征值 丘血 ( um )( x 1 02 )( m i n )( pm )( l o2 )( m i n ) 管材1 2 5 7 91 2 2 820 1 6- 47 6 4“97 lo2 8 207 2 21 9 71 4 均值 焊缝 2 2 8 5 9- 2 3 9 9- 2 0 6 84 3 52 2 05 5o 1 0 208 9 l2 1 05 8 管材 2 7 4 2 33 6 1 0 9 o7 9 l22 9 42 87 5 90 2 7 20 1 5 91 4 1 2 9 标准差 焊缝 5 4 4 6 24 5 聃8 o 6 9 951 7 85 6 0 l l0 1 6 202 0 91 6 8 1 9 变异管材0 2 1 8o2 蚋0 3 9 204 8 20 2 4 0n9 6 50 2 2 007 17 系数焊缝02 3 801 9 l03 3 81 1 9 00 2 5 4 1 5 8 802 3 507 9 9 对比表3 - - 4 中的统计结果可以发现，p e 8 0 管材与其熔焊焊缝的s c g 过程曲线 的参量均具有很大分散性。就第一阶梯而言，蠕变损伤积累机制主导的过程的分 散性比蠕变钝化机制控制的大。在总体上，熔焊焊缝的s c g 过程比管材的有更大 的分散性，这与第二章的分析是一致的，考虑到熔焊焊缝区的材质与管材的相比 更不均匀的实际情况，对二者s c g 过程分散性上的差异是可以理解的。 将表3 4 中各参量的均值代入式( 3 3 ) ，然后与图3 1 中s c g 的实验曲线相 互比较，结果如图3 2 所示。由图3 2 可见，式( 3 - 3 ) 正确的描述了p e 8 0 管材 和熔焊焊缝s c