黃學(xué)斌　伏喜斌　徐火力　尤志軒　闕小穎　戴鴻濱

摘要： 聚乙烯管道材料由于與金屬管道材料質(zhì)點(diǎn)間結(jié)合鍵構(gòu)成不同，因此二者在力學(xué)性能上差異很大。冷拉伸性能是聚乙烯材料獨(dú)有的特性。對(duì)聚乙烯冷拉伸現(xiàn)象進(jìn)行了分析，通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)聚乙烯管道熱熔對(duì)接焊接頭的拉伸強(qiáng)度要優(yōu)于母材，母材頸縮出現(xiàn)“冷拉伸”現(xiàn)象。斷口分析發(fā)現(xiàn)斷口存在銀紋，銀紋的形成增加了聚合物的韌性，為此可通過(guò)斷口白色區(qū)域的大小來(lái)初步判斷聚乙烯管道熱熔焊的接頭質(zhì)量。

關(guān)鍵詞： 聚乙烯管道；熱熔對(duì)接焊接頭；冷拉伸性能；銀紋

中圖分類號(hào)： TQ32067

Abstract： Polyethylene pipe material and metal pipe material have great differences in the mechanical properties due to the two particle bonding to form different. The cold tensile properties are unique properties of polyethylene material. The paper analyzes the cold tensile phenomenon of polyethylene. The experiments conform that the cold tensile properties of butt fusion welding joint of polyethylene pipes make its tensile strength is superior to the base joint， fracture analysis verifies the presence of silver grain fracture. The formation of silver grains increases the toughness of polymer， so we can judge preliminarily the butt fusion welding joint quality of polyethylene pipe through the white area size of the fracture

Key words： polyethylene pipe；butt fusion welding joint； cold tensile properties；silver grains

0前言

聚乙烯管道由于具有質(zhì)輕、比強(qiáng)度大、比剛度高、耐磨、耐蝕、絕緣和復(fù)合能力強(qiáng)等特點(diǎn)，目前在燃?xì)夤艿兰白詠?lái)水管輸送系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用[1， 2]。聚乙烯材料是以碳原子為主的共價(jià)鍵結(jié)合且有序排列居多的高分子化合物，而常用的金屬材料則是以金屬原子為基本質(zhì)點(diǎn)，以金屬鍵相結(jié)合，以有序排列的金屬晶體構(gòu)成的材料，由于二者質(zhì)點(diǎn)間結(jié)合鍵構(gòu)成不同，加上貫穿數(shù)個(gè)晶區(qū)與無(wú)定形區(qū)間的系帶分子的纏結(jié)及解纏等，因此二者在力學(xué)性能上差異很大[3]。

拉伸試驗(yàn)是最常用的評(píng)價(jià)焊接性能的方法，有些學(xué)者采用拉伸斷裂能作為評(píng)價(jià)焊接質(zhì)量的依據(jù)，而有些學(xué)者討論了拉伸試樣形狀對(duì)焊接質(zhì)量的影響[4， 5]。在聚乙烯焊接過(guò)程中，由于聚乙烯材料被加熱至熔融狀態(tài)，然后在焊接壓力的作用下慢慢冷卻接近室溫，其再結(jié)晶過(guò)程對(duì)聚乙烯的性能有較大的影響[6]。本文對(duì)聚乙烯冷拉伸現(xiàn)象進(jìn)行了分析，通過(guò)試驗(yàn)分析聚乙烯管道熱熔對(duì)接焊接頭的拉伸性能，斷口分析發(fā)現(xiàn)斷口處存在銀紋，銀紋的存在增加了聚合物的韌性，由此可作為判斷接頭質(zhì)量的依據(jù)。

1聚乙烯的冷拉伸現(xiàn)象

聚乙烯是由結(jié)晶區(qū)和無(wú)定形區(qū)組成的部分結(jié)晶性聚合物。在聚合物內(nèi)部的片晶之間，始終有無(wú)定形部分存在。在分子鏈折疊有序排列的晶片之間，存在三種無(wú)定形的分子鏈形態(tài)，即從片晶中伸出的懸浮分子鏈；分子鏈兩端均在同一片晶中伸出的懸浮分子鏈環(huán)；兩端糾纏在相鄰的兩塊片晶中的系帶分子鏈。系帶分子鏈像膠粘劑一樣把片晶粘在一起使其具有優(yōu)良的韌性。垂直的拉應(yīng)力作用片晶表面，系帶分子鏈被拉長(zhǎng)，若拉應(yīng)力繼續(xù)作用，片晶會(huì)分解為更小的單元，這就是系帶分子鏈逐步解纏的過(guò)程，具體過(guò)程如圖1所示。

在該過(guò)程中，開(kāi)始的行為與韌性形變比較相似，但由于材料在低應(yīng)力狀態(tài)下，系帶分子鏈開(kāi)始解纏和松弛，隨著時(shí)間的推移，逐漸被從晶區(qū)拔脫，慢慢剩下為數(shù)不多的系帶分子鏈承受著載荷作用，最后造成更大的應(yīng)力集中，于是材料發(fā)生脆性破壞。系帶分子鏈解纏的速度與系帶分子鏈的密度相關(guān)，解纏的速度也與結(jié)晶強(qiáng)度有關(guān)，結(jié)晶越強(qiáng)，對(duì)系帶分子鏈運(yùn)動(dòng)的阻力越大。聚乙烯長(zhǎng)鏈分子上的短支鏈不僅起到阻止解纏的作用，而且限制了片晶的厚度，因而增加了系帶分子的密度，這樣有助于壽命的提高[7]。

聚合物的微觀形變過(guò)程和金屬差異很大，其原因是兩種材料的微觀結(jié)構(gòu)以及原子間的結(jié)合方式不同。聚合物具有大分子量、共價(jià)鍵連接的高分子鏈特征，意味著由剪應(yīng)力和拉伸應(yīng)力造成的形變過(guò)程會(huì)涉及分子的逐步解纏結(jié)。分子的旋轉(zhuǎn)和解纏結(jié)使材料中分子的排列平行于拉伸的方向，產(chǎn)生一種稱為“冷拉伸”或“取向強(qiáng)度”“冷拉伸”過(guò)程，材料經(jīng)過(guò)均勻形變最初階段之后，出現(xiàn)頸縮，之后頸縮區(qū)域的橫截面積會(huì)發(fā)生很大程度的縮小。形變過(guò)程繼續(xù)進(jìn)行，主要通過(guò)頸縮區(qū)域在大致恒定的載荷作用下，沿著試樣長(zhǎng)度方向的延伸。當(dāng)延伸過(guò)程完畢后，導(dǎo)致進(jìn)一步形成的加載很快增加，最終的斷裂主要是由于纖維化和微型孔穴的形成造成的[8]。

2聚乙烯管道熱熔焊接頭的拉伸試驗(yàn)

2.1拉伸試驗(yàn)材料及過(guò)程

試驗(yàn)材料采用PE100管材，直徑為200 mm，壁厚11.9 mm。試驗(yàn)材料的基本力學(xué)性能如表1所示。

為研究方便，選取焊接溫度220 ℃，加熱時(shí)間120 s，焊接壓力0.4 MPa，焊接時(shí)間16 min的工藝參數(shù)，焊接設(shè)備選用全自動(dòng)熱熔焊機(jī)，能夠獲得焊縫成形較為理想的熔焊接頭。拉伸試樣的取樣沿管子長(zhǎng)度方向與焊縫垂直，按照GB/T8804—2003[9]的有關(guān)規(guī)定制備，拉伸試件示意圖如圖2所示。

上述試樣制備成帶卷邊和不帶卷邊兩種形式，以比較二者在拉伸性能方面的差別，具體試樣形式如圖3所示。

拉伸試驗(yàn)在室溫（25℃）下進(jìn)行，恒定拉伸速率為50 mm/s，連續(xù)記錄試樣所承受的拉力。

2.2拉伸試驗(yàn)結(jié)果及分析

按上述試驗(yàn)條件，獲得的拉伸試驗(yàn)結(jié)果如表2所示，有擠出卷邊的試件三根都未發(fā)生斷裂，去除卷邊的試件兩根縮頸后持續(xù)均勻伸長(zhǎng)，一根發(fā)生斷裂，其拉伸后的試樣形貌如圖4所示。

試樣屈服以前，試樣的應(yīng)變隨應(yīng)力的增加而增加。由于聚乙烯的分子鏈及鏈段未發(fā)生整體運(yùn)動(dòng)，變化受到一定限制，因此試樣變形量很小，其拉伸應(yīng)力與伸長(zhǎng)量呈線性關(guān)系。當(dāng)拉伸應(yīng)力達(dá)到其屈服應(yīng)力后，原有的結(jié)晶結(jié)構(gòu)開(kāi)始被破壞，分子鏈中比較長(zhǎng)的鏈段會(huì)產(chǎn)生滑移，出現(xiàn)塑性變形，同時(shí)伴隨有應(yīng)變硬化現(xiàn)象。應(yīng)變硬化是聚乙烯材料阻止繼續(xù)變形的一種力學(xué)性能[10]。隨著試驗(yàn)中拉伸應(yīng)力的不斷增加，試樣正常情況應(yīng)該是發(fā)生斷裂，但由于聚乙烯具有較高的韌性和塑性，因此在產(chǎn)生縮頸后將繼續(xù)均勻伸長(zhǎng)。由于縮頸后試件持續(xù)均勻伸長(zhǎng)，拉伸力不再增加，試驗(yàn)機(jī)在拉伸應(yīng)力不再變化時(shí)默認(rèn)試件斷裂。拉伸試驗(yàn)結(jié)果表明，聚乙烯熱熔焊接頭的強(qiáng)度要優(yōu)于母材，母材頸縮出現(xiàn)“冷拉伸”現(xiàn)象。帶卷邊和不帶卷邊拉伸結(jié)果表明，卷邊的存在強(qiáng)化了接頭強(qiáng)度，去卷邊試件斷裂出現(xiàn)在接頭處，表明接頭處有可能存在缺陷。

拉伸試樣的斷口形貌如圖5所示。圖5a為斷口宏觀照片，從照片中可以明顯看出黑白兩個(gè)區(qū)域。根據(jù)宏觀斷口特征來(lái)看，材料由于處于短程有序長(zhǎng)程無(wú)序這種情況，分析認(rèn)為白色部分為短程有序材料斷裂斷面，黑色部分為長(zhǎng)程無(wú)序材料斷裂斷面。為驗(yàn)證判斷，對(duì)斷口進(jìn)行了噴金處理，進(jìn)行掃描電鏡分析。在拉應(yīng)力作用下，非晶態(tài)聚合物的某些薄弱部位，因應(yīng)力集中產(chǎn)生局部塑性變形，結(jié)果在其表面和內(nèi)部會(huì)出現(xiàn)閃亮的、細(xì)長(zhǎng)形的“類裂紋”，稱為銀紋[8]。

銀紋現(xiàn)象是高聚物在張力作用下，在材料某些薄弱地方出現(xiàn)應(yīng)力集中而產(chǎn)生局部塑性形變和局部取向，以至在材料表面或內(nèi)部在垂直應(yīng)力方向上出現(xiàn)長(zhǎng)度100 μm、寬度10 μm左右的微細(xì)凹槽或裂紋的現(xiàn)象。銀紋與裂紋不同，前者除其中有空洞外，還有稱為銀紋質(zhì)的聚合物，后者則不含聚合物，銀紋中約含有50%左右體積的空穴，空洞體積分?jǐn)?shù)可達(dá)50%～80%，如圖5d所示。

銀紋的形成增加了聚合物的韌性，因?yàn)樗咕酆衔锏膽?yīng)力得到松弛；同時(shí)，銀紋中的微纖維表面積大，可吸收能量，對(duì)增加韌性也有作用。銀紋在非晶態(tài)聚合物的拉伸脆性斷裂中有重要作用。與金屬材料相比，聚合物形成銀紋類似于金屬韌性斷裂前產(chǎn)生的微孔。從斷口上看，斷裂出現(xiàn)在熱熔合區(qū)，斷口微觀顯示為局部延展疲勞斷裂。試樣的最初屈服位置在管材上，但是最終起始斷裂位置卻位于凹槽附近區(qū)域。裂紋起始于外卷邊與管材的凹槽處，擴(kuò)展通過(guò)熱影響區(qū)直至內(nèi)卷邊凹槽處，最終斷裂。

3結(jié)論

（1）聚乙烯管道熱熔對(duì)接焊接頭，接頭的強(qiáng)度要優(yōu)于母材，母材頸縮出現(xiàn)“冷拉伸”現(xiàn)象。帶卷邊和不帶卷邊拉伸結(jié)果表明，卷邊的存在強(qiáng)化了接頭強(qiáng)度，去卷邊試件斷裂出現(xiàn)在接頭處，表明接頭處有可能存在缺陷。

（2）拉伸試樣斷口分析發(fā)現(xiàn)斷口存在銀紋，銀紋的形成增加了聚合物的韌性，其原因是銀紋使聚合物的應(yīng)力得到松弛，同時(shí)銀紋中的微纖維表面積大，可吸收能量，對(duì)增加韌性也有作用，為此可通過(guò)斷口白色區(qū)域的大小來(lái)初步判斷聚乙烯管道熱熔焊的接頭質(zhì)量。

（3）從斷口上看，斷裂出現(xiàn)在熱熔合區(qū)，斷口微觀顯示為局部延展疲勞斷裂。試樣的最初屈服位置在管材上，但是最終起始斷裂位置卻位于凹槽附近區(qū)域。裂紋起始于外卷邊與管材的凹槽處，擴(kuò)展通過(guò)熱影響區(qū)直至內(nèi)卷邊凹槽處，最終斷裂。

參考文獻(xiàn)

[1]趙紅. 聚乙烯管道焊接技術(shù)和評(píng)價(jià)方法[J]. 中國(guó)塑料， 2011， 25（7）： 48-53.

[2]陽(yáng)代軍， 霍立興， 張玉風(fēng). 聚乙烯管道熱熔對(duì)接焊工藝參數(shù)對(duì)焊接接頭性能的影響[J]. 焊管， 2004， 27（1）： 17-20.

[3]陽(yáng)代軍， 霍立興， 張玉風(fēng). 聚乙烯管道熱熔對(duì)接焊接頭性能的分析[J]. 中國(guó)塑料， 2003， 17（2）： 73-77.

[4]涂欣， 李茂東， 林金海， 等. 燃?xì)庥镁垡蚁┕艿罒崛蹖?duì)接焊工藝參數(shù)優(yōu)化的研究[J]. 廣東化工， 2013， 40（16）： 34-35.

[5]孫志鵬， 宋建嶺， 魏強(qiáng)， 等. 不等厚異種鋁合金電阻點(diǎn)焊接頭組織與性能[J]. 焊接， 2014（4）： 61-63.

[6]Leskovics K， Kollár M， Bárczy P. A study of structure and mechanical properties of welded joint polyethylene pipes[J]. Materials Science and Engineering A， 2006， 419： 138-143.

[7]馬長(zhǎng)城， 李長(zhǎng)纓. 城鎮(zhèn)燃?xì)饩垡蚁≒E）輸配系統(tǒng). 北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社， 2006： 20-37.

[8]Derek Hull. 斷口形貌學(xué)：觀察、測(cè)量和分析斷口表面形貌的科學(xué)[M]. 李曉剛， 董超芳， 杜翠薇，等譯. 北京：科學(xué)出版社， 2009： 230-232.

[9]GB/T 8804—2003熱塑性塑料管材拉伸性能測(cè)定[S].

[10]Chen H， Scavuzzo R J， Srivatsan T S. Influence of joining on the fatigue and fracture behavior of high density polyethylene pipe[J]. Journal of Materials Engineering and Performance， 1997， 6（4）： 473-480.

收稿日期： 2014-12-04

黃學(xué)斌簡(jiǎn)介： 1966年出生，工學(xué)碩士，高級(jí)工程師，主要研究無(wú)損檢測(cè)及焊接技術(shù)。