聚氯乙烯壓力管材力學(xué)破壞研究

1、聚氯乙烯壓力管材力學(xué)破壞研究聚氯乙烯壓力管材力學(xué)破壞研究摘要：引起塑料壓力管道發(fā)生力學(xué)破壞的主要方式有靜載荷、 脈沖和循環(huán)載荷、點(diǎn)載荷、化學(xué)老化、塑料壓力管在運(yùn)輸和安裝中的 表面劃傷等幾種。本文主耍研究了 pvc管材力學(xué)破壞形式，并與傳 統(tǒng)管材在性能和力學(xué)上進(jìn)行了深入的比較，僅供參考。關(guān)鍵詞：聚氯乙烯壓力管材；傳統(tǒng)管材；力學(xué)破壞一、拉伸性能原理分析拉伸性能是pvc的基本力學(xué)性能指標(biāo)，是在規(guī)定的試驗(yàn)溫度和試 驗(yàn)速度下，在標(biāo)準(zhǔn)試上沿軸向施加拉伸載荷，直到試樣被拉斷，斷裂 前試樣承受的最大載荷與試樣的寬度和厚度的乘積的比值就是該試 樣的拉伸強(qiáng)度。典型單軸拉伸時(shí)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖1所示。圖1中的y點(diǎn)

2、為屈服點(diǎn)，對應(yīng)的強(qiáng)度為拉伸屈服強(qiáng)度。試樣在出 現(xiàn)屈服之前發(fā)生的斷裂稱為脆性斷裂，這種情況下，試片斷裂前只發(fā) 生很小的變形（圖1中的0y段），試樣并沒有明顯的變化，斷裂面一 般與拉仲方向相垂直，斷裂面也很光滑。在圖1中還可以看到，在拉 伸的整個(gè)過程中，應(yīng)力和應(yīng)變的關(guān)系并不是線性的，只有當(dāng)變形很小 時(shí)，材料才可視為虎克彈性體，因此拉伸模量e通常由拉伸初始階段 的應(yīng)力與應(yīng)變來計(jì)算，其計(jì)算式為：式中：。為拉伸過程中的拉伸強(qiáng)度，f為拉伸應(yīng)力，d為試樣厚 度，£為伸長率，b為試樣寬度，l0為試樣原始標(biāo)距，al為拉伸 過程中原始標(biāo)距變化量。拉仲模量是材料發(fā)生單位應(yīng)變時(shí)的應(yīng)力，它 表征材料抵抗變形能

3、力的大小。拉仲模量越大，材料越不容易變形, 表示材料的剛度越大。二、pvc-u管材與傳統(tǒng)管材性能以及力學(xué)破壞的差異分析pvc-u管材與傳統(tǒng)管材的性能比較如表1所示：1. 拉伸屈服強(qiáng)度pvc-u管材的拉仲屈服強(qiáng)度是以5 mm/min的拉伸速度測定試片 斷裂時(shí)的最大荷重除以試片的最小截面積而得到的比值，該值與溫度 有密切的關(guān)系：當(dāng)溫度升高時(shí),拉伸屈服強(qiáng)度、彈性模量會(huì)相應(yīng)降低； 反z,則均會(huì)提高。但當(dāng)溫度低于o°c吋，pvc-u管材會(huì)逐漸發(fā)生脆 性現(xiàn)象,所以在管線設(shè)計(jì)上需注意溫度條件。(1) 根據(jù)塑料管材在靜液壓p作用下的受力分析，可得到壁厚受到的環(huán)向應(yīng)力(拉伸強(qiáng)度)與外徑、壁厚的關(guān)系式為

4、：。二p (d-e) /(2e)o式中：p為破壞壓力，mpa ； 0為拉伸應(yīng)力(拉伸強(qiáng)度)，mpa； d為管材平均外徑，mm； e為管材最小壁厚，mm。(2) 管材在環(huán)向應(yīng)力作用下的瞬吋破壞壓力的計(jì)算公式為：pi=oi (2e) / (d-e)。式中：pi為瞬時(shí)破壞壓力，mpa；oi為瞬時(shí)拉伸應(yīng)力(拉伸強(qiáng)度)，mpa。從式(2)中可以看出，在管材外徑和壁厚一定的情況下，瞬吋 破壞壓力與瞬時(shí)拉伸強(qiáng)度呈止比，即拉伸強(qiáng)度越高，耐水壓能力越強(qiáng)； 同吋，拉伸強(qiáng)度與溫度呈反比。所以，在管材外徑和壁厚一定的情況 下，瞬時(shí)破壞壓力也隨溫度升高而減小。也就是說，隨著溫度的升高， pvc-u管材耐內(nèi)壓的能力也隨之

5、下降。為防止瞬吋壓力破壞管材，既 要防止0°c以下時(shí)的脆性破壞，也要考慮不能超過pvc-u管材最高使 用溫度為45°c o2. 彈性模量pvc-u管材在其比例極限內(nèi)所受的應(yīng)力與所產(chǎn)生的相應(yīng)應(yīng)變z比 稱為彈性模量。在圖1所示彈性模量與溫度關(guān)系曲線上有兩個(gè)轉(zhuǎn)移點(diǎn): 第1次轉(zhuǎn)移點(diǎn)顯示pvc-u管材開始軟化，此轉(zhuǎn)移點(diǎn)對應(yīng)溫度為維卡軟 化溫度80°c；對于第2次轉(zhuǎn)移點(diǎn)，因其極限伸長率較小，對應(yīng)拉伸 強(qiáng)度增加；但是柔性逐漸消失，對應(yīng)沖擊強(qiáng)度變?nèi)酰_始出現(xiàn)脆性特 征。pvc-u管材的彈性模量僅為金屬管材的2%左右。鑒于pvc-u管材 的拉伸屈服強(qiáng)度和彈性模量隨溫度下降而大幅度降

6、低，所以在冬季施 工時(shí)，務(wù)必輕拿輕放，避免外力損傷。3. 沖擊強(qiáng)度pvc-u管材的沖擊強(qiáng)度是其承受沖擊負(fù)荷的最大能力，即在沖擊 負(fù)荷下，材料破壞吋所消耗的功與試樣截面積之比，是按照落錘沖擊 法或簡支梁沖擊法測定的。圖2為pvc-u管材沖擊強(qiáng)度與溫度的關(guān)系 曲線圖，其沖擊強(qiáng)度與溫度成止比，溫度越高，則沖擊性能越好；反 z,則急劇下降。20°c吋的沖擊強(qiáng)度是0°c時(shí)的近200%。pvc-u管材 低溫條件下的沖擊性能明顯降低，尤其在0°c以下。按gb/t 10002. 1-2006 規(guī)定，pvc-u 管材落錘沖擊試驗(yàn)(0°c) tirw5% (tir 即真實(shí)破壞率)，對imp*、dn63x3. 0管材在低溫沖擊下的落錘沖擊 試驗(yàn)曲線如圖3所示。試驗(yàn)條件為：重錘質(zhì)量0.25 kg,高度2 m, 沖擊總數(shù)25次。合格條件為：沖擊破壞數(shù)w1次。圖2 pvc-u管材沖擊強(qiáng)度與溫度的關(guān)系圖3 1 mpa> dn63給水管低溫沖擊特性曲線需要強(qiáng)調(diào)的是，圖2所示刻痕沖擊是指在試片上用銳器所作刻痕, 與不作刻痕試片的耐沖擊強(qiáng)度有很大差異，在常溫下幾乎達(dá)10倍z 多。當(dāng)試片有刻痕吋，經(jīng)沖擊試驗(yàn)，試片必定在刻痕處斷裂，此種特 性稱為刻痕效應(yīng)。三、結(jié)語目前，盡管市場上推出了多種新型塑料管道，但pvc?pe?pp三 大傳統(tǒng)管