基于冲压试验的聚乙烯力学性能预测

doi:10.19491/j.issn.1001-9278.2022.01.004

中国塑料 ›› 2022, Vol. 36 ›› Issue (1): 25-31.DOI: 10.19491/j.issn.1001-9278.2022.01.004

基于冲压试验的聚乙烯力学性能预测

常频¹, 张毅¹(), 孙峰¹, 乔亮²^,³, 范峻铭²^,³

^1.中国石油大学（华东）储运与建筑工程学院，山东青岛 266580
^2.深圳市燃气集团股份有限公司，广东深圳 518000
^3.深圳市燃气输配及高效利用工程技术研究中心，广东深圳 518000

收稿日期:2021-08-10 出版日期:2022-01-26 发布日期:2022-01-21
基金资助:
国家自然科学基金资助项目—基于“虚构无损伤”有效应力测量的半结晶聚合物损伤表征与机理研究(11802343);江苏省特种设备安全监督检测研究院项目“压扁阻断引起的PE燃气管道损伤机理与寿命预测研究”［KJ（Y）2020011］

Prediction of mechanical properties of polyethylene based on punch tests

CHANG Pin¹, ZHANG Yi¹(), SUN Feng¹, QIAO Liang²^,³, FAN Junming²^,³

^1.College of Pipeline and Civil Engineering，China University of Petroleum （East China），Qingdao 266580，China
^2.Shenzhen Gas Co，Ltd，Shenzhen 518000，China
^3.Shenzhen Engineering Research Center for Gas Distribution and Efficient Utilization，Shenzhen 518000，China

Received:2021-08-10 Online:2022-01-26 Published:2022-01-21
Contact: ZHANG Yi E-mail:zhangyi@upc.edu.cn

摘要/Abstract

摘要：

通过对5种不同曲率半径的高密度聚乙烯（PE?HD）圆棒试样进行单轴拉伸试验，重点分析了曲率半径对工程应力?位移曲线的影响；同时对PE?HD平板试样进行冲压试验，分析了压头直径和冲压速度对载荷?位移曲线的影响；建立了3种基于冲压载荷预测PE?HD单轴屈服应力的经验公式。结果表明，同一拉伸速度下，屈服强度随曲率半径的减小而增大；同一冲压速度下，最大冲压载荷随压头直径的增大而增大；同一压头直径下，最大冲压载荷随冲压速度的增大而增大；基于压头直径为变量的经验公式预测得到的屈服强度可靠性最高，可以较为准确地表征PE?HD的力学性能。

关键词: 高密度聚乙烯, 冲压试验, 单轴拉伸试验, 屈服强度, 最大冲压载荷

Abstract:

In this paper， monotonic tensile tests were first conducted using five high?density polyethylene （PE?HD） round bar specimens with different notch radii to study the effects of notch radius on the curves of engineering stress?displacement curves. Moreover， punch tests were also conducted on the PE?HD plate specimens to investigate the load?displacement curves with an indenter diameter and a punch speed. Finally， three empirical equations for the prediction of yield stress of PE?HD materials based on characteristic punch load were proposed. The results indicated that the yield stress obtained from the monotonic tensile tests increased with a decrease in notch radius at the same loading speed. Additionally， the maximum punch load increased with an increase in the indenter diameter or punch speed. The predicted yield stress based on the empirical equation is closest to the tensile test result when using the indenter diameter as variable.

Key words: high density polyethylene, punch test, uniaxial tensile test, yield strength, maximum punch load

中图分类号:

TQ325.1⁺2

常频, 张毅, 孙峰, 乔亮, 范峻铭. 基于冲压试验的聚乙烯力学性能预测[J]. 中国塑料, 2022, 36(1): 25-31.

CHANG Pin, ZHANG Yi, SUN Feng, QIAO Liang, FAN Junming. Prediction of mechanical properties of polyethylene based on punch tests[J]. China Plastics, 2022, 36(1): 25-31.

图/表 11

图1 PE?HD圆棒试样

Fig.1 PE?HD round bar specimens

图2 冲压试验装置示意图

Fig.2 Schematic diagram of punch test device

图3 不同缺口圆棒试样的工程应力?位移曲线

Fig.3 Engineering stress?displacement curves of notched round bar specimens

圆棒试样类型	中心处直径/mm	屈服强度/MPa
光滑圆棒	6.00	21.67
R20	5.97	24.84
R5	5.77	26.67
R2	5.80	30.54
R0.5	5.84	33.34

表1 单轴拉伸试验力学参数

Tab.1 Mechanical parameters of uniaxial tensile test

图4 不同压头直径时冲压试验得出的载荷?位移曲线

Fig.4 Load?displacement curves from punch tests with different indenter diameters

图5 不同冲压速度时冲压试验得到的载荷?位移曲线

Fig.5 Load?displacement curves from punch tests at different punch speeds

压头直径/mm	最大冲压载荷/N	最大冲压载荷下的位移/mm
4	616.57	2.37
6	948.03	2.99
8	1 257.47	3.20
10	1 621.43	3.09

表2 冲压试验力学参数

Tab.2 Mechanical parameters of punch test

图6 最大冲压载荷与不同变量的关系曲线

Fig.6 Curves of the relationship between the maximum punch load and different variables

试样类型	$σ y = F p - B 1 / A 1 d$		$σ y = F p - B 2 / A 2 d 2$		$σ y = F p - B 3 / A 3 d δ$
试样类型	A₁	B₁	A₂	B₂	A₃	B₃
光滑圆棒	7.67	-52.53	0.54	478.35	2.11	153.47
R20	6.69	-52.53	0.47	478.35	1.84	153.47
R5	6.23	-52.53	0.44	478.35	1.71	153.47
R2	5.44	-52.53	0.38	478.35	1.49	153.47
R0.5	4.99	-52.53	0.35	478.35	1.37	153.47

试样类型	$σ y = F p - B 1 / A 1 d$		$σ y = F p - B 2 / A 2 d 2$		$σ y = F p - B 3 / A 3 d δ$
试样类型	A₁	B₁	A₂	B₂	A₃	B₃
光滑圆棒	7.67	-52.53	0.54	478.35	2.11	153.47
R20	6.69	-52.53	0.47	478.35	1.84	153.47
R5	6.23	-52.53	0.44	478.35	1.71	153.47
R2	5.44	-52.53	0.38	478.35	1.49	153.47
R0.5	4.99	-52.53	0.35	478.35	1.37	153.47

表3 3种经验公式的系数

Tab.3 Undetermined coefficients of three empirical formulas

表3 3种经验公式的系数

Tab.3 Undetermined coefficients of three empirical formulas

图7 3种经验公式得到的不同缺口半径下PE?HD的屈服强度

Fig.7 Yield strength of PE?HD at different notch radii obtained from the three empirical formulas

PE?HD类型	关联式（2）的标准差	关联式（6）的标准差	关联式（7）的标准差
光滑圆棒	0.22	3.62	1.28
R20	0.25	4.15	1.46
R5	0.28	4.47	1.59
R2	0.32	5.09	1.83
R0.5	0.34	5.57	1.97

表4 不同类型PE?HD屈服强度的标准差

Tab.4 Standard deviation of yield strength for different types of PE?HD

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基于冲压试验的聚乙烯力学性能预测

Prediction of mechanical properties of polyethylene based on punch tests

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