摘要：高密聚乙烯作为一种可塑性强，造价低廉和耐腐蚀性能较好的热塑性树脂，被广泛运用于化工，建筑，军工等各个领域，同时国内外各个学者也对该材料的力学性能展开大量研究。G'sell和Jo-nas最早对高密聚乙烯（HDPE）片材进行单轴拉伸试验，并对HDPE片材后期的应力强化现象进行分析。而后，Caucher-Miri等人对HDPE在单轴拉伸下的微观力学性能进行研究。
关键词：高密聚乙烯；单轴拉伸力学性能；本构关系
1试验准备
试验设计12组共60个试件，采用行业和国家标准规定的窄条拉伸法，试件按照《GBT1040.3－2006》中的II型样式进行加工，制成长150mm，宽50mm，标距为50mm的窄条试样。试验拉伸速率分别为50、100和150mm/min。片材型号分为两种，一种为厚度1.2mm，花纹表面片材，为了便于试验测量，花纹面片材的横截面积长宽高均用游标卡尺取最外围，即厚度1.2mm为花纹片材的最大厚度。因为受到片材表面花纹的影响，花纹的实际平均厚度小于1.2mm；另外一种为厚度2.0mm，光滑表面片材。拉伸方向分为纵向拉伸和横向拉伸。
2试验现象
在试件受拉初始阶段，试件变形在弹性范围内，应力应变呈线性递增关系，如图1中OA段。在弹性变形阶段时，片材厚度变化较小，片材弹性模量基本保持不变，抗拉性能较为稳定。随着拉伸位移的增加，进入塑性变形阶段，应力应变关系不再呈线性递增，片材开始屈服，如图AB段所示。当HDPE片材达到其最大拉伸强度后，随着拉伸位移的增加，片材所持荷载迅速降低，应力应变曲线开始下降，片材厚度变化较大，拉伸变形明显增大。同时，应力应变比值开始递减，抗拉性能下降，直至达到第二屈服点C点，如图1中BC段所示。达到第二屈服点后，HDPE片材所受应力开始稳定在一定值，该值为拉伸屈服平台应力，随着拉伸位移的增加，试件的工程应变增加，而工程应力基本不变。在随后的拉伸过程中应力应变曲线近似地表现为一条水平线段直至试件断裂或拉伸位移达到试验限定值380mm。
图1 典型HDPE片材单轴拉伸工程应力应变关系
通过实验结果可知，条带的断裂形式主要有3种，一种为I型断裂，该断裂形式的片材多为拉伸速率较小的横向受拉片材。随着条带在拉伸作用下不断伸长，片材中部厚度开始变薄，片材两端开始收缩，当拉伸应变达到一定值时，片材中部开始出现裂纹，韧带受拉导致片材应力集中出现材料局部“发白”。随着韧带的继续屈服，应力发白区开始扩大，裂纹尖端继续拓展，同时片材两端不断变窄。最终，两端的裂纹尖端与片材左右两端相遇，片材断裂，成典型的“八”字型断裂状态。在12组60个试样中，有36个试样断裂，其中I型断裂有12个，光面横向受拉片材在50mm/min拉伸速率下有2个，花纹面横向受拉片材在50mm/min和100mm/min拉伸速率下共10个试样断裂，可见I型断裂主要发生在拉伸速率不高的横向受拉试件上。
II型断裂主要发生在高拉伸速率下的纵向受拉试件中。与I型破坏模式不同，在高拉伸速率下，裂纹初始出现位置为片材两端，而非片材中部。而后随着拉伸位移的增加，裂纹开始拓展，中心韧带有明显的应力发白现象，应力开始集中，裂纹延伸至中心韧带后，中心韧带开始延伸，此时片材的应力应变曲线仍处于屈服平台。随着中心韧带变薄，片材破坏，两端裂纹呈水平状，裂口光滑，中心断裂韧带无明显的拉伸纤维可见。在断裂的36个试件中，有12个II型断裂，均为光面纵向受拉试件，其中在100mm/min和150mm/min拉伸速率有10个。可见，II型断裂主要发生在高拉伸速率下的光面纵向受拉试件。
III型断裂主要发生在花纹面纵向受拉试件上，随着拉伸位移的增加，首先片材一端出现裂纹，而后裂纹逐渐拓展延伸，并没有明显应力发白区和拉伸纤维出现，而后裂纹延伸至试件另一端，试件破坏。在36个破坏试件中，有12个III型破坏，均为花纹纵向受拉构件，与II型破坏模式对比，其主要区别为制作工艺，虽然II型破坏和III型破坏均以纵向受拉构件为主，但不同的是，II型破坏的纵向受拉构件为光面片材，而III型破坏的纵向受拉构件为花纹面片材。因此，试样的型号的确会影响片材的破坏模式，导致破坏第1阶段时，裂纹出现的位置和数量不同，最终导致片材断裂行为的不一致。
3力学性能分析
3.1片材样式影响分析
花纹面片材的拉伸强度较光面片材的拉伸强度高。对于横向受拉片材，花纹面的拉伸强度比光面平均高出41.24%；对于纵向受拉片材，花纹面的拉伸强度比光面平均高出37.89%。根据实验结果，分析花纹面拉伸强度比光面拉伸强度高的原因主要有两点：①压花工艺使得花纹面的横截面积大大减小，而中心片材的基本强度不变，故单位面积内片材所能承受的最大应力较光面片材大；②压花工艺在热压过程中对HDPE片材的密度有所提高，故花纹面片材的拉伸强度较光面HDPE片材的拉伸强度较高。虽然花纹面的拉伸强度较光面片材高，但是对于单个片材，光面片材所能承受的最大荷载平均为766kN，而花纹面片材所能承受的最大荷载平均为650kN。此外，在拉伸变形较大的情况下，花纹片材的稳定性更差，较易断裂，且随着拉伸速率的上升，花纹片材的应力屈服平台随拉伸速率提升而提升的现象不明显，即率相关性不明显。由此可知，光面片材适用于荷载大，持荷时间较长的工程运用中，而花纹面片材适用于重量轻，持荷时间较短的工程。
3.2拉伸方向影响分析
对于花纹面片材，花纹横向受拉片材和纵向受拉片材的最大拉伸应力的率相关性均不明显，且屈服平台强度的率相关性也不明显。但与纵向受拉片材相比，横向受拉片材的伸长率较纵向受拉高。对于光面片材，对比可知，纵向受拉片材和横向受拉片材最大拉伸强度随拉伸速率的增加而增加的现象不明显，即最大拉伸强度的率相关性不明显。但与纵向受拉片材不同的是，横向受拉片材随拉伸速率的上升，其屈服平台逐步上升，屈服平台强度增大。当拉伸速率为150mm/min时，光面横向受拉片材的屈服平台与曲线最高点之间没有明显的下降段，第二屈服点不明显，应力应变曲线在到达最大拉伸强度后没有明显下降。此外，纵向受拉片材的断裂数量比横向受拉片材断裂的数量多。
结论
通过HDPE片材的霍普金森拉杆试验所得数据，并结合本文试验，可以拟合得出应变率效应参数，进而完善数值模拟中的材料参数和本构方程。
参考文献：
［1］李俊伟，黄宏伟．土工格室HDPE片材拉伸应变率相关特性［J］．建筑材料学报，2008，12（1）：47－51．
［2］石少卿，刘颖芳，尹平．硬质聚氨酯泡沫塑料在军事工程中的应用技术［J］．工程塑料与运用，2004，32（8）：36－39．
论文作者:彭宏亮,毛章龙,徐志宇
论文发表刊物:《防护工程》2018年第19期
论文发表时间:2018/10/31
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