循环载荷法评价聚乙烯管材料耐疲劳失效性能的研究

doi:10.19491/j.issn.1001-9278.2025.07.009

中国塑料 ›› 2025, Vol. 39 ›› Issue (7): 49-55.DOI: 10.19491/j.issn.1001-9278.2025.07.009

循环载荷法评价聚乙烯管材料耐疲劳失效性能的研究

胡砚磊(), 孙晋, 胡法, 武志军, 李玉娥, 吴孝翰

中石化（北京）化工研究院有限公司，北京 100013

收稿日期:2024-12-23 出版日期:2025-07-26 发布日期:2025-07-22
作者简介:胡砚磊（1992-），工程师，主要从事高分子材料及制品测试评价新方法的研究工作，huyl.bjhy@sinopec.com

Study on fatigue failure resistance of polyethylene pipe materials evaluated by cyclic loading method

HU Yanlei(), SUN Jin, HU Fa, WU Zhijun, LI Yue, WU Xiaohan

Sinopec （Beijing） Chemical Research Institute Co，Ltd，Beijing 100013，China

Received:2024-12-23 Online:2025-07-26 Published:2025-07-22

摘要/Abstract

摘要：

采用循环载荷缺口圆棒（CRB）试验方法研究了聚乙烯（PE）管材料的耐疲劳失效性能，并考察了不同样品制备方式、样品尺寸、应力范围、频率、载荷比和温度等因素对材料失效结果的影响。结果表明，采用压塑制样的PE管材料在CRB试验中的耐疲劳性能优于管材挤出样品；随着样品直径的增加，断裂循环次数显著减少；应力范围增大也会导致断裂循环次数减少，并在应力范围达到16 MPa时出现脆韧转变现象；试验频率的提高使试样断裂循环次数减少；而载荷比的增加则导致样品断裂循环次数上升；温度升高会引起试样断裂循环次数的下降。

关键词: 聚乙烯管材料, 疲劳, 耐慢速裂纹增长, 循环载荷缺口圆棒

Abstract:

This study evaluated the fatigue resistance of polyethylene （PE） pipe materials using cracked round bar cyclic loading tests. A systematic investigation was conducted to assess the effects of manufacturing method （compression molding vs. extrusion）， specimen geometry， loading parameters （stress range， frequency， load ratio）， and temperature on fatigue performance. Results indicated that compression⁃molded specimens exhibited superior fatigue resistance compared to extruded pipes. Fatigue life was significantly influenced by test conditions：（1） increasing specimen diameter reduced fracture cycles，（2） higher stress ranges reduced fatigue life， with a brittle⁃ductile transition occurring at 16 MPa，（3） elevated frequencies accelerated failure，（4） increased load ratios improved fatigue resistance， and （5） higher temperatures reduced cycle counts. These findings provide critical insights for optimizing PE pipe design and performance under cyclic loading conditions.

Key words: polyethylene pipe materials, fatigue, slow crack growth, cyclic loading cracked round bar

中图分类号:

TQ325.1

胡砚磊, 孙晋, 胡法, 武志军, 李玉娥, 吴孝翰. 循环载荷法评价聚乙烯管材料耐疲劳失效性能的研究[J]. 中国塑料, 2025, 39(7): 49-55.

HU Yanlei, SUN Jin, HU Fa, WU Zhijun, LI Yue, WU Xiaohan. Study on fatigue failure resistance of polyethylene pipe materials evaluated by cyclic loading method[J]. China Plastics, 2025, 39(7): 49-55.

图/表 20

图1 不同样品制备方式的PE管材料CRB试验的S⁃N曲线

Fig.1 S⁃N curves from CRB tests of PE pipe material under different specimen preparation methods

样品	应力范围（Δσ₀）/MPa	循环次数 N_f	R²	应力范围Δσ₀=12.5 MPa时的循环次数（N_f）
压塑制样	11.50	1 919 915	0.947 09	1 314 258
	12.25	1 321 413
	12.75	1 246 994
	13.50	971 701
管材机加工制样	11.50	1 565 000	0.922 80	1 043 217
	12.25	1 234 136
	12.75	857 081
	13.50	754 160

表1 不同制备方式的PE管材料耐疲劳测试应力和失效次数

Tab.1 Stress and failure cycles of fatigue testing for PE pipe material under different specimen preparation methods

图2 不同制备方式的PE管材料的DSC曲线

Fig.2 DSC curves of PE pipe material samples under different specimen preparation methods

制备方式	结晶峰温/℃	熔融焓/J·g^-1	结晶度/%
压塑制样	132.06	197.88	68.4
管材机加工制样	128.43	179.36	62.0

表2 不同制备方式的PE管材料的结晶度

Tab.2 Crystallinity of PE pipe material samples under different specimen preparation methods

图3 不同压塑模具的PE管材料CRB试验的S⁃N曲线

Fig.3 S⁃N curves from CRB tests of PE pipe material using different compression molding dies

样品	应力范围Δσ₀/MPa	循环次数 N_f	R²	应力范围Δσ₀=12.5 MPa的循环次数N_f
溢料式模具	11.50	1 800 561	0.986 45	1 245 850
	12.25	1 427 605
	12.75	1 128 993
	13.50	845 598
非溢料式模具	11.50	1 471 394	0.977 82	1 137 159
	12.25	1 193 262
	12.75	1 108 537
	13.50	874 047

表3 不同压塑模具的PE管材料耐疲劳测试应力和失效次数

Tab.3 Stress and failure cycles of fatigue testing for PE pipe material using different compression molding dies

图4 不同压塑模具的PE管材料的DSC曲线

Fig.4 DSC curves of PE pipe material samples using different compression molding dies

样品	结晶峰温度/℃	熔融焓/J·g^-1	结晶度/%
溢料式模具	132.16	189.80	65.6
非溢料式模具	131.68	189.54	65.5

表4 不同压塑模具的PE管材料样品结晶度

Tab.4 Crystallinity of PE pipe material samples using different compression molding dies

图5 不同样品尺寸的PE管材料CRB试验的S⁃N曲线

Fig.5 S⁃N curves from CRB tests of PE pipe material with different specimen dimensions

直径/ mm	应力范围Δσ₀ /MPa	循环次数 N_f	R²	应力范围Δσ₀=12.5 MPa 时循环次数N_f
10	11.50	4 000 591	0.996 67	2 792 593
	12.25	3 046 124
	12.75	2 493 142
	13.50	2 005 398
12	11.50	2 245 255	0.997 84	1 676 279
	12.25	1 788 561
	12.75	1 549 468
	13.50	1 223 300
14	11.50	1 919 915	0.947 09	1 314 258
	12.25	1 321 413
	12.75	1 246 994
	13.50	971 701
15	11.50	1 861 143	0.952 61	1 109 790
	12.25	1 136 585
	12.75	980 985
	13.50	791 540
16	11.50	1 305 413	0.868 22	926 766
	12.25	1 167 283
	12.75	889 912
	13.50	566 550

表5 不同样品尺寸的PE管材料耐疲劳测试应力和失效次数

Tab.5 Stress and failure cycles of fatigue testing for PE pipe material with different specimen dimensions

图6 不同应力范围的PE管材料CRB试验的S⁃N曲线

Fig.6 S⁃N curves from CRB tests of PE pipe material at different stress ranges

图7 不同应力范围的PE管材料CRB试验试样断裂界面

Fig.7 Fracture surfaces of PE pipe material specimens from CRB tests at different stress ranges

图8 不同应力范围的PE管材料断裂界面韧性区域面积所占比例和应力曲线

Fig.8 Ductile failure area ratio on fracture surfaces and stress curves of PE pipe material under different stress ranges

图9 不同试验频率的PE管材料CRB试验的S⁃N曲线

Fig.9 S⁃N curves from CRB tests of PE pipe material at different test frequencies

频率/ Hz	应力范围Δσ₀/ MPa	循环次数 N_f	R²	应力范围Δσ₀=12.5 MPa 时循环次数N_f
5	11.50	1 136 159	0.981 30	671 237
	12.25	772 580
	12.75	617 217
	13.50	368 895
10	11.50	970 261	0.980 13	660 281
	12.25	455 669
	12.75	643 314
	13.50	737 814
15	11.50	378 228	0.908 32	84 056
	12.25	205 645
	12.75	41 594
	13.50	18 065
20	11.50	60 251	0.994 76	34 811
	12.25	40 331
	12.75	31 494
	13.50	20 135

表6 不同试验频率的PE管材料耐疲劳测试应力和失效次数

Tab.6 Stress and failure cycles of PE pipe material fatigue resistance tests at different test frequencies

载荷比	应力范围Δσ₀/MPa	循环次数 N_f	R²	应力范围Δσ₀=12.50 MPa时循环次数N_f	应力强度因子K_Imax（MPa*m^0.5）
0.01	11.50	849 023	0.896 93	633 877	0.669 21
	12.25	752 194			0.713 26
	12.75	548 061			0.743 34
	13.50	480 158			0.788 10
0.05	11.50	1 205 147	0.997 34	829 941	0.671 17
	12.25	924 713			0.714 94
	12.75	756 185			0.744 12
	13.50	604 753			0.787 90
0.1	11.50	1 565 000	0.922 80	1 043 217	0.669 06
	12.25	1 234 136			0.715 31
	12.75	857 081			0.743 73
	13.50	754 160			0.785 83

表7 不同载荷比的PE管材料耐疲劳测试应力和失效次数

Tab.7 Stress and failure cycles of PE pipe material fatigue resistance tests at different stress ratios

图10 不同载荷比的PE材料CRB试验的S⁃N曲线

Fig.10 S⁃N curves from CRB tests of PE pipe material at different stress ratios

图11 不同试验温度的PE材料CRB试验S⁃N曲线

Fig.11 S⁃N curves from CRB tests of PE pipe material at different test temperatures

温度/ ℃	应力范围Δσ₀/ MPa	循环次数 N_f	R²	应力范围Δσ₀=12.50 MPa时循环次数N_f
23	11.50	1 800 561	0.986 45	1 246 507
	12.25	1 427 605
	12.75	1 128 993
	13.50	845 598
30	11.50	1 672 136	0.998 43	1 144 491
	12.25	1 268 948
	12.75	1 031 517
	13.50	806 407
40	11.50	1 240 420	0.993 77	843 909
	12.25	939 837
	12.75	782 993
	13.50	568 835
50	11.50	747 610	0.998 78	559 275
	12.25	604 589
	12.75	516 202
	13.50	424 841
60	11.50	16 021	0.951 41	8 294
	12.25	9 147
	12.75	6 564
	13.50	5 245

表8 不同试验温度的PE材料耐疲劳测试应力和失效次数

Tab.8 Stress and failure cycles of PE pipe material fatigue resistance tests at different test temperatures

图12 不同试验温度的PE管材料CRB试验试样断裂界面图

Fig.11 Fracture surfaces of PE pipe material specimens from CRB tests at different test temperatures

参考文献 20

[1]	周建斌，吴欣. 聚乙烯管道材料的慢速裂纹增长性能研究［J］. 材料研究学报， 2014， 28（6）： 516-522.
	ZHOU J B， WU X. Study on slow crack growth performance of polyethylene pipeline materials［J］. Chinese Journal of Materials Research， 2014， 28（6）： 516-522.
[2]	朱建，杨勇，张建中. 聚乙烯燃气管道材料的慢速裂纹增长特性［J］. 塑料工业， 2012， 40（8）： 67-72.
	ZHU J， YANG Y， ZHANG J Z. Slow crack growth characteristics of polyethylene gas pipeline materials［J］. China Plastics Industry， 2012，40（8）： 67-72.
[3]	Brown N， Lu. Slow crack growth in polyethylene resins［J］. Polymer， 1997， 38（22）： 5 739-5 746.
[4]	Leeming A， Porter D. Stress rupture and slow crack growth behaviour of polyethylene［J］. Polymer Testing， 2000， 19（3）： 291-297.
[5]	Spychala J G， Hill M A， Harris K R. The influence of surfactants on the slow crack growth of polyethylene［J］.Polymer Engineering & Science， 2003， 43（3）：503-509.
[6]	Nishimura H， Narisawa I. Fatigue Behavior of Medium-Density Polythylene Pipes［J］. Polym Eng Sci， 1991， 31（6）：399-403.
[7]	Shah A， Stepanov E V， Capaccio G， et al. Correlation of fatigue crack propagation in polyethylene pipe specimens of different geometries［J］.International Journal of Fracture，1997，84： 159-173.
[8]	Parsons M， Stepanov E V， Hiltner A， et al.Correlation of fatigue and creep slow crack growth in a medium density polyethylene pipe material［J］.Journal of Materials Science，2000，35：2 659-2 674.
[9]	Favier V， Giroud T， Strijko E， et al. Slow crack propagation in polyethylene under fatigue at controlled stress intensity［J］.Polymer，2002，43：1 375-1 382.
[10]	Gerald P， Markus H， Werner B. Cyclic crack growth tests with CRB specimens for the evaluation of the long-term performance of PE pipe grades［J］. Polymer Testing， 2007（26）：180-188.
[11]	中国国家标准化管理委员会. 塑料差示扫描量热法（DSC）第3部分：熔融和结晶温度及热焓的测定：［S］.北京：中国标准出版社，2004.
[12]	李军，周超，王悦. 冷却速度对聚乙烯结晶行为的影响［J］.高分子材料科学与工程， 2016， 32（5）： 88-93.
	LI J， ZHOU C， WANG Y. Effect of cooling rate on crystallization behavior of polyethylene［J］. Polymer Materials Science and Engineering， 2016， 32（5）： 88-93.
[13]	赵丽萍，王林. 挤出和压塑对聚乙烯结晶行为的影响［J］.塑料工业， 2018， 46（8）： 55-59.
	ZHAO L P， WANG L. Effects of extrusion and compression molding on crystallization behavior of polyethylene［J］. China Plastics Industry， 2018， 46（8）：55-59.
[14]	Lazzarin P， Tovo R， Meneghettit G. Fatigue crack initiation and propagation phases near notches in metals with low notch sensitivity［J］， Int J Fatigue， 1997，19：647.
[15]	李明，王大伟，刘锋. 加载频率对聚乙烯材料动态疲劳寿命的影响［J］.材料科学与工程学报， 2015， 33（2）： 45-50.
	LI M， WANG D W， LIU F. Effect of loading frequency on dynamic fatigue life of polyethylene material［J］. Journal of Materials Science and Engineering， 2015， 33（2）：45-50.
[16]	朱英杰，赵伟. 疲劳加载频率对聚合物材料缺陷敏感性的影响［J］.高分子学报， 2018， 49（8）： 1 234-1 239.
	ZHU Y J， ZHAO W. Influence of fatigue loading frequency on defect sensitivity in polymeric materials［J］. Acta Polymerica Sinica， 2018，49（8）： 1 234-1 239.
[17]	Paris P C， Erdogan F. A critical analysis of crack propagation laws［J］. Journal of Basic Engineering， 1963， 85（4）：528-534.
[18]	Zhang Yu T. Effect of temperature on creep crack growth in polyethylene［J］. Polymer Testing， 2000， 19（3）： 283-289.
[19]	Plummer， Jerome， Leblan J. Crazing and shear deformation in polyethylene and polypropylene［J］. Journal of Materials Science， 1998， 33（16）： 4 065-4 076.
[20]	王琳，张建，黄明辉. 温度对聚乙烯断裂韧性及裂纹扩展影响的研究［J］. 塑料科技， 2008， 36（5）： 42-46.
	WANG L， ZHANG J， HUANG M H. Effect of temperature on fracture toughness and crack propagation of polyethylene［J］. Plastics Science and Technology， 2008， 36（5）： 42-46.

循环载荷法评价聚乙烯管材料耐疲劳失效性能的研究

Study on fatigue failure resistance of polyethylene pipe materials evaluated by cyclic loading method

RichHTML

PDF

可视化

摘要/Abstract

引用本文

使用本文

图/表 20

参考文献 20

相关文章 11

编辑推荐

Metrics

本文评价

[1]	徐传浩, 石振武, 池波. BMH型温拌剂对废塑/SBS复合改性沥青疲劳性能的影响[J]. 中国塑料, 2024, 38(8): 94-99.
[2]	李明昆, 林荣涛. PC/ABS高温下耐疲劳性能的影响因素研究[J]. 中国塑料, 2024, 38(12): 77-80.
[3]	李岩, 唐晓旭, 张伟杰, 黄瑞鹏, 张杉. 基于应变硬化模量方法评价聚乙烯管材耐慢速裂纹增长性能研究进展[J]. 中国塑料, 2022, 36(9): 148-159.
[4]	李亚飞, 孙小杰, 任月庆, 张寅灵. 阻燃抗静电聚烯烃板材的制备与性能研究[J]. 中国塑料, 2022, 36(8): 23-27.
[5]	孙永涛, 卢道胜, 刘练, 张海龙, 刘明泰. 氟橡胶纳米复合材料的应用研究进展[J]. 中国塑料, 2022, 36(12): 167-174.
[6]	李文婷, 李明鹏, 陈季荷, 苑之童, 程海涛. 加捻植物纤维增强聚氨酯复合材料的力学特性与疲劳性能[J]. 中国塑料, 2022, 36(11): 41-50.
[7]	王志刚, 杨波, 李茂东, 林金梅李仕平, 翟伟. 聚乙烯管材耐慢速裂纹增长性能的加速评价方法研究进展[J]. 中国塑料, 2017, 31(07): 121-125 .
[8]	李劲松, 李美, 梅烨. 玻璃纤维增强聚丙烯水箱支架的结构优化[J]. 中国塑料, 2016, 30(04): 99-101 .
[9]	盛永华李力. 短碳纤维增强热塑性树脂复合材料的制备及其疲劳性能研究[J]. 中国塑料, 2012, 26(05): 54-57 .
[10]	赵启辉. 聚乙烯承压管道及原料耐慢速裂纹增长测试标准及实验要求[J]. 中国塑料, 2008, 22(10): 90-94 .
[11]	朱利平. 塑料阀门国际标准的介绍与问题探讨[J]. 中国塑料, 2005, 19(7): 82-86.