基于应变速率相关拉伸试验方法的破裂穹顶试验对聚氯乙烯生命周期与力学特性的表征

《International Journal of Pressure Vessels and Piping》：Life Cycle and Mechanical Characterization of PVC via Rupture Dome Test with Strain-Rate Dependent Tensile Test Approach

　　

• 开发了一种新型断裂穹顶试验 (RDT) 用于快速聚合物寿命预测。
• RDT 在穹顶顶点处诱导受控的等双轴应力状态。
• 高应力三轴性抑制塑性流动以促进脆性断裂。
• 预测的 50 年强度值与 EN 1778 标准差异小于 5%。
• LS-DYNA 模拟成功验证了局部应力场和失效模式。

Introduction
基于聚合物的材料在现代工程应用中至关重要，特别是在供水、气体输送和工业管道等基础设施系统中 [1]。聚氯乙烯 (PVC)、聚乙烯 (PE) 和聚丙烯 (PP) 等聚合物材料因其耐腐蚀性、轻量化和经济优势而备受青睐 [2], [3], [4], [5], [6]。此类材料通常需要在长服役时间内（通常为 50 至 100 年）在持续载荷下表现良好。这一标准凸显了准确预测长期机械性能的重要性。聚合物产品的传统设计方法主要基于长期蠕变断裂测试，即材料在长时间内暴露于单轴应力下。EN 1778 和 ISO 9080 中描述的标准程序为基于预测寿命数据确定允许设计应力提供了框架。这些方法虽然被认为是可靠的结果，但其本质上是单轴的，且通常需要进行数月甚至数年的测试。这一限制显著减慢了材料开发周期并增加了实验成本。最后，传统测试方法基于单轴加载条件，这不足以代表实际服役环境中遇到的多轴应力状态 [7], [8], [9], [10]。

为了解决测试持续时间过长的问题，人们密集研究了加速寿命预测方法 [11], [12], [13], [14]。这些方法旨在建立短期实验数据与长期性能行为之间的可靠关系。基于应变速率依赖性和应力触发模型的方法因能捕捉聚合物变形的粘塑性行为而引起了关注 [15], [16]。同时，多轴应力状态对变形和断裂行为的影响也受到了关注。事实上，聚合物产品在服役过程中很少经历纯单轴应力状态。更常见的是，材料会经历多种应力状态，这会影响损伤和失效机制 [17], [18], [19]。基于应力不变量的理论模型，如 Wierzbicki 等人开发的模型 [20]，显示了在确定多轴加载情况下的断裂行为时，应力三轴性和罗德角的基础重要性 [21], [22]。

针对这一局限性，几项研究调查了聚合物和聚合物基材料在多轴加载条件下的机械响应。Guitton 等人 [23] 开发了一种多轴加载测试，用于研究聚合物在组合加载条件下的机械行为，证明了施加的应力路径对变形响应的重要性。Werner 和 Daniel [24] 表征并建模了多轴静态和动态加载下的聚合物材料，强调了机械响应对应力状态和应变速率的强烈依赖性。最近，Chen 等人 [25] 调查了应变速率和温度对聚酰胺合成泡沫多轴失效应力轨迹的综合影响，表明失效响应可能受到加载速率、温度和应力状态之间相互作用的显著影响。这些研究表明，在评估聚合物材料的变形和失效行为时，应将多轴应力状态和加载速率结合起来考虑。

尽管这些研究大大推进了对聚合物多轴变形和失效的理解，但其主要焦点在于本构表征、失效准则或加载速率和应力状态的影响，而不是聚合物承压部件的加速长期寿命预测。特别是，结合服役相关双轴应力状态、受控断裂测试和加速寿命评估的方法论仍然相对未被探索。

为克服标准测试程序的局限性，已开发了多种用于加速估算聚合物寿命的技术。其中，时温叠加原理 (TTS) 通常通过在高温下测试来加速材料老化 [26], [27]，但潜在的变形和失效机制可能会发生改变，因此其对于长期预测的相关性可能存疑 [13], [28]。

然而，TTS 原理的适用性依赖于热流变简单行为的假设，即相关的分子松弛机制表现出一致的温度依赖性，且材料在不同温度下的响应可以用共同的移位因子来表示。对于表现出多种松弛机制、物理老化、结构演化或变形行为随温度变化的聚合物，这一假设不一定成立。此外，TTS 的有效性不一定能在不同加载模式之间转移，因为应力状态和加载条件的变化可能会激活不同的变形和失效机制。因此，仅基于升温的加速测试可能会改变主要的损伤过程，并损害长期寿命预测的可靠性。

另一种策略依赖于应变速率依赖方法，通常使用将机械响应与加载速率联系起来的 Eyring 型公式 [29]。Tamrakar 等人 [30] 使用 Eyring 型公式建模了环氧树脂在单轴压缩下的应变速率和温度依赖行为。所开发的模型成功预测了不同的加载 - 卸载场景、高应变速率下的热软化以及应力松弛，并与实验结果高度吻合。然而，这些大多局限于单轴应力设置，并未考虑复杂的多轴效应。诸如阶梯加载和应力加速蠕变等方法也被提出以缩短测试时间 [31]。Rafiee 等人 [29] 使用实验和数值方法调查了玻璃纤维增强聚合物 (GFRP) 管道在横向压缩加载下的长期蠕变行为。利用两级模型，他们提出了一种短期、多阶段的测试程序来替代长期测试。这种经过实验验证的方法显著缩短了测试持续时间，能够在设计阶段快速可靠地预测管道的长期蠕变响应。然而，这些方法可能会导致不均匀的损伤积累，并且可能无法真正复制连续服役加载的情况 [32], [33], [34]。此外，基于慢裂纹增长 (SCG) 的断裂力学技术提供了对裂纹扩展过程的见解，但需要复杂的试样制备，并且不能充分考虑到实际加载情况下的变形 - 断裂耦合相互作用 [35], [36], [37], [38], [39], [40], [41]。

聚氯乙烯 (PVC) 是一种在管道工程中广泛使用的无定形热塑性塑料，因其高刚重比和化学抗性 [42], [43]。然而，在长期持续静水压力下，PVC 部件极易发生时间依赖的变形行为，特别是蠕变和物理老化 [44]。在文献中，PVC 的长期失效通常特征化为从高应力水平下的韧性屈服向较低、具有服役代表性应力水平下的脆性过早失效（通常由银纹和慢裂纹增长驱动）转变 [45], [46], [47]。虽然 PVC 的微结构退化和屈服动力学已广泛使用标准单轴粘弹性框架进行建模，但针对其多轴应力状态敏感性与快速寿命预测之间直接耦合的综合研究仍然有限 [48], [49]。

尽管加速寿命预测和多轴表征取得了进展，但现有方法的一个普遍局限性是缺乏一个统一的实验框架，该框架能够同时重现与服役相关的多轴应力状态、保留主要的变形 - 失效机制，并在可行的实验时间尺度内提供有效的寿命预测。这一局限性对于承压聚合物部件尤为重要，因为在这些部件中，施加的压力本质上会产生多轴应力，且应力状态、应变速率、时间依赖变形和断裂之间的相互作用可以决定最终的服役寿命。

双轴凸胀配置提供了一种在薄壁材料中生成受控多轴应力状态的潜在手段。在此背景下，Corallo 等人 [50] 开发了一种高速凸胀试验，用于调查板材金属在高应变速率下的大变形行为。他们的方法展示了基于凸胀配置生成近等双轴应力状态并能够表征速率依赖材料行为的潜力。然而，其方法论的主要目标是表征和建模板材金属的大变形行为，而不是聚合物承压材料的加速断裂或长期寿命预测。因此，尽管一般的凸胀概念为双轴测试提供了重要基础，但其应用于聚合物的断裂导向寿命评估代表了一个独特的研究问题。

本研究引入断裂穹顶试验 (RDT) 作为一种用于聚合物材料加速寿命评估的断裂导向双轴实验方法论。RDT 方法旨在生成受控的近等双轴应力状态，以更真实地代表承压聚合物部件经历的加载条件，并促进与长期服役性能相关的失效机制。通过在限制过度粘塑性变形的同时生成高度受限的双轴应力状态，该方法能够在实验可行的时间尺度内评估断裂行为。

重要的是，RDT 的新颖性不仅仅依赖于使用凸胀型几何形状或生成双轴应力状态，因为相关概念此前已在文献中得到证明。相反，所提出的方法论将受控双轴加载、断裂导向测试和加速寿命评估整合在一个专门针对聚合物承压材料的统一框架内。这种方法提供了一种将短时间双轴断裂数据与长期机械性能联系起来的手段，同时保持物理上有意义的应力状态。因此，本研究的目标是建立一种统一且物理一致的方法论，用于预测 PVC 材料的长期性能，缩短测试持续时间，并提高结果的代表性。除提供稳健的材料评级外，该框架还为未来纳入先进的生命周期评估模型和工程设计方法提供了基础。

Section snippets
Conceptual premise of Rupture Dome Test (RDT)
断裂穹顶试验 (RDT) 的概念前提
RDT 是一种新的测试方法，旨在在显著缩短的时间限制内评估聚合物材料的长期脆性断裂特性。该方法使用薄壁半球形穹顶试样，通过内部加压在穹顶尖端生成指定的等双轴拉伸应力状态。该应力状态导致高应力三轴性，有效地阻止了大的塑性变形，有利于脆性断裂的起始和扩展

Stress–Rupture (Creep Failure) Approach
应力 - 断裂（蠕变失效）方法
聚合物寿命预测的传统方法之一是基于应力 - 断裂（蠕变失效）测试，其中试样在固定温度下承受恒定应力水平直到失效。产生的应力 - 失效时间数据通常以对数形式表示，并遵循经验关系：
将此关系外推至与服役相关的时间尺度（例如，50 – 100 年）可以估算长期强度（图 6）。然而，在...

Material
材料
本研究中考虑的材料是三种商业等级的未增塑聚氯乙烯 (PVC-U)，由工业合作伙伴提供，用于压力管道应用。这些材料旨在用于注塑成型，称为 PVC IM-01、PVC IM-02 和 PVC IM-03。由于商业保密原因，无法提供具体的配方和成分信息。然而，这三个类别是不同配方的 PVC，具有不同的机械特性，这使得...

Rupture Dome Test Results
断裂穹顶试验结果
在三种不同等级的 PVC 上以不同的内部水压水平进行了 RDT，以评估机械性能方面的失效特性和长期行为。RDT 实验的施加压力和失效时间结果如表 2 所示，这些被用作原始数据，为每种材料创建最小所需强度与寿命之间的关系。它显示了每个...的平均失效时间 ± 标准差（均值 ± SD）

Conclusions
本研究提出了一种综合方法论，通过结合双轴实验测试、基于物理的外推和数值分析来评估聚合物材料的长期性能。所提出的断裂穹顶试验 (RDT) 成功生成了受控的等双轴应力状态，比传统的单轴测试更好地代表了许多聚合物产品所经历的应力条件。实验观察结果，辅以数值分析，证明了

CRediT authorship contribution statement
CRediT 作者贡献声明
Biniyam Ayele Abebe: 可视化，验证，方法论，数据整理，概念化。Yasin Ak?n: 撰写 - 初稿，可视化，方法论，形式分析，数据整理。Recep K?l??;: 撰写 - 审查与编辑，验证，项目管理，形式分析。

阿尔帕伊·艾德米尔：写作——审阅与编辑，验证，项目管理，调查
利益冲突声明
作者声明，他们没有已知的竞争性商业利益或个人关系，这些可能影响本文报告的工作。
数据可用性
数据可根据要求提供。
利益冲突声明
? 作者声明，他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系，这些可能影响本文报告的工作。
致谢
本研究得到了萨卡里亚应用科学大学科学研究项目单位的支持（项目编号：352-2025）。作者感谢该机构提供的财务和行政支持。作者还感谢荷兰 Wavin Technology and Innovation B.V. 公司允许使用其材料实验室和设施。
比尼亚姆·阿耶莱·阿贝贝|雷杰普·基利奇|阿尔帕伊·艾德米尔|亚辛·阿金