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

doi:10.19491/j.issn.1001-9278.2025.07.009

Abstract

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

CLC Number:

TQ325.1

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.

Figures/Tables 20

References 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.

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

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

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

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

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