塑料管材寿命评测装置的制作方法

本发明涉及塑料管材测试装置领域，具体而言，涉及塑料管材寿命评测装置。

背景技术：

目前，塑料管材耐慢速裂纹增长性能测试评价方法主要包括切口管试验(npt)、全缺口拉伸蠕变试验(fnct)、宾夕法尼亚缺口拉伸试验(pent)、缺口环试验(nrt)和点载荷试验(plt)等。上述评价方法的评价周期过长，通常在一年或10⁴小时(约13个月)。长时间的评价周期也阻碍了塑料管材专用树脂的开发速度。而且，在评价周期内，很难观测到试样的失效，进而无法观测试样失效后的微观形态，导致评价结果不准确。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种塑料管材寿命评测装置，通过使用本发明中塑料管材寿命评测装置评测塑料管材寿命的方法能够显著降低评价周期，并且在评价周期内能够观测到试样失效后的微观形态，提高了评价结果的准确性。

本发明的实施例是这样实现的：

本发明实施例提供一种塑料管材寿命评测装置，用于通过对试样进行往复拉伸的方式确定塑料管材的寿命，试样为由与待测塑料管材相同材料构成的圆柱体，并且试样的周面具有垂直于其轴线的预制裂纹，其包括：电子拉伸机、温控箱、安装支架、至少一个电子显微镜。电子拉伸机包括支撑于其底座上并用于夹持试样下端的下夹头，和用于夹持试样上端的上夹头；上夹头传动连接于驱动装置，并能够在驱动装置的带动下沿轴向往复拉伸试样；电子拉伸机的拉伸操作部位于温控箱的温控室中；安装支架设置于底座之上，并具有至少一个安装头；电子显微镜安装于安装支架的安装头上，并且电子显微镜的镜头的朝向垂直于试样轴线，并正对预制裂纹；电子显微镜的数据接口电连接于一显示器，显示器用于显示试样的预制裂纹处在电子显微镜的放大后的图形。

本实施例中的塑料管材寿命评测装置使用时，将制好的试样两端分别夹持于电子拉伸机的上夹头和下夹头之间；使电子显微镜的镜头正对试样上的预制裂纹处；然后启动电子拉伸机对试样进行往复拉伸试验。在往复拉伸试验的同时，注意观察试样的预制裂纹通过电子显微镜方法后在显示器上的成像；当预制裂纹出现裂纹萌生时，记录此时电子拉伸机的拉伸循环次数。通过循环次数评价塑料管材的寿命：出现裂纹萌生时循环次数越多则评定塑料管材的寿命越大。

本实施例中的塑料管材寿命评测装置通过拉伸试验机循环拉伸及通过电子显微镜观察试样出现裂纹萌生时循环拉伸次数来评定塑料管材的寿命，相比现有技术中的切口管试验(npt)、全缺口拉伸蠕变试验(fnct)、宾夕法尼亚缺口拉伸试验(pent)、缺口环试验(nrt)和点载荷试验(plt)等，

使用本发明实施例提供的塑料管材寿命评测装置的用于评测塑料管材寿命的方法，能够在几十个小时甚至几个小时内就能观察到试样裂纹萌生。本发明实施例提供的塑料管材寿命评价方法，大大降低了评价周期，有助于提升塑料管材专用树脂的开发速度。并且，通过本发明实施例提供的塑料管材寿命评价方法，在评价周期内能够观测到试样失效后的微观形态，提高了评价结果的准确性。

在本实施例的一种实施方式中：

电子显微镜共有四个；四个电子显微镜绕试样轴线周向均匀分布，并且各个电子显微镜的镜头分别垂直对准预制裂纹。

在本实施例的一种实施方式中：

电子显微镜的镜头间隔试样表面5-10m。

在本实施例的一种实施方式中：

底座为箱形结构，显示器嵌设于电子拉伸机的底座的侧面，且显示面朝外。

在本实施例的一种实施方式中：

安装支架包括固连于底座上的安装座和多个一端连接于安装座另一端用于连接安装头的万向管；电子显微镜的镜头安装于安装头，电子显微镜的引线穿过万向管内腔，且末端的数据接头穿过底座的顶板并电连接显示器。

在本实施例的一种实施方式中：

电子拉伸机采用台式结构，其包括底座、两个竖向间隔连接于底座的导杆、固定连接于两个导杆的横梁、固定连接于横梁的驱动装置。

在本实施例的一种实施方式中：

温控箱从上到下罩于所电子拉伸机的上部，并且温控箱的下端固连于电子拉伸机的底座。

在本实施例的一种实施方式中：

底座上还设有用于控制电子拉伸机启动和停止的开关；开关电连接驱动装置，用于控制驱动装置的启动和停止。

在本实施例的一种实施方式中：

温控箱的温控范围包括18-28℃。

在本实施例的一种实施方式中：

上夹头包括固定部和转动部；固定部的下端设有转销、转动部为由顶壁和侧围壁构成的朝下开口的杯状结构，顶壁可转动地连接于固定部的转销，并能够相对固定部旋转；侧围壁下端设有内螺纹，内螺纹被构造成用于螺纹配合试样上端外周面的外螺纹；下夹头为开口朝上的杯状结构，下夹头固定连接底座，且下夹头的开口位置设有内螺纹，用于螺纹配合试样的下端的外周面的外螺纹。

综合以上描述，本实施例中的塑料管材寿命评测装置具有试验过程快、评价结构准确的有益效果。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本发明实施例中的塑料管材寿命评测装置的结构示意图；

图2为本发明实施例中的塑料观来寿命评测装置所用试样的结构示意图；

图3为本发明实施例中的电子显微镜的分布方式的示意图；

图4为本发明实施例中的塑料管材寿命评测装置的上夹头、试样、下夹头的配合关系的示意图(爆炸展示)；

图5为本发明实施例中，在试验的过程中，拉伸应力的变化曲线图；

图6本发明实施例中第一种双对数坐标图；

图7为本发明实施例中第二种双对数坐标图。

图标：100-塑料管材寿命评测装置；10-电子拉伸机；11-底座；12-下夹头；13-上夹头；13a-固定部；13b-转动部；13c-转销；14-驱动装置；15-导杆；16-横梁；17-开关；20-温控箱；30-安装支架；31-安装头；32-安装座；33-万向管；40-电子显微镜；41-镜头；50-显示器；w0-试样；w1-预制裂纹。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明的描述中，需要说明的是，若出现术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，本发明的描述中若出现术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

此外，本发明的描述中若出现术语“水平”、“竖直”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。

实施例

图1为本发明实施例中的塑料管材寿命评测装置100的结构示意图(图中用虚线表示了所用试样w0)。参见图1，本实施例中的塑料管材寿命评测装置100用于通过对试样w0进行往复拉伸的方式确定塑料管材的寿命，参见图2，试样w0为由与待测塑料管材相同材料构成的直径d、长度l的圆柱体，并且试样w0的周面具有垂直于其轴线的预制裂纹w1。其中，预制裂纹w1为开设于试样w0周面的环形槽。需要说明的是，试样w0的直径d可以在13mm-15mm之间进行选择，试样w0的长度l可以在70mm-mm之间进行选择。进一步的，试样w0的直径d可以控制在13.5mm-14.5mm之间，试样w0的长度l可以控制在90mm-mm之间。这样，能够避免因为试样w0的尺寸过小导致无法准确显示试验结果，避免因为试样w0的尺寸过大导致评价周期过长的问题。在本实施例中，试样w0的直径为14mm，试样w0的长度为95mm。预制裂纹w1设置在试样w0轴向上的中间位置。另外，预制裂纹w1的深度n为1.49mm-1.51mm，并且预制裂纹w1的深度方向垂直于试样w0的轴向。预制裂纹w1的深度控制在1.49mm-1.51mm，能够避免由于预制裂纹w1深度过小导致新的裂纹难以萌生，进而延长了评价周期的问题，也能够避免由于预制裂纹w1深度过大导致试样w0在反复拉伸下断裂，进而无法实现试验目的的问题。

再次参见图1，塑料管材寿命评测装置100包括：电子拉伸机10、温控箱20、安装支架30、至少一个电子显微镜40。

其中，电子拉伸机10包括支撑于其底座11上并用于夹持试样w0下端的下夹头12，和用于夹持试样w0上端的上夹头13；上夹头13传动连接于驱动装置14，并能够在驱动装置14的带动下沿轴向往复拉伸试样w0；电子拉伸机10的拉伸操作部位于温控箱20的温控室中；安装支架30设置于底座11之上，并具有至少一个安装头31；电子显微镜40安装于安装支架30的安装头31上，并且电子显微镜40的镜头41的朝向垂直于试样w0轴线，并正对预制裂纹w1；电子显微镜40的数据接口电连接于一显示器50，显示器50用于显示试样w0的预制裂纹w1处在电子显微镜40的放大后的图形。本实施例中，配合参见图3，电子显微镜40共有四个；四个电子显微镜40绕试样w0轴线周向均匀分布，并且各个电子显微镜40的镜头41分别垂直对准预制裂纹w1。电子显微镜40的镜头41间隔试样w0表面5-10m。电子显微镜40的数量在其他实施例中可设置成一个、两个、三个、五个甚至更多个。

本实施例中，底座11为箱形结构，显示器50嵌设于电子拉伸机10的底座11的侧面，且显示面朝外。可选的，显示器50的显示屏分成四块，每块对应显示四个电子显微镜40视野内的放大图像。

本实施例中的安装支架30的设置方式为：安装支架30包括固连于底座11上的安装座32和多个一端连接于安装座32另一端用于连接安装头31的万向管33；电子显微镜40的镜头41安装于安装头31，电子显微镜40的引线穿过万向管33内腔，且末端的数据接头穿过底座11的顶板并电连接显示器50。该处所说的万向管33指半柔性的管件，其能够自由地弯曲并定位于弯曲到的方向和姿态。本实施例中通过万向管33的连接能够方便地将电子显微镜40的镜头41调整至垂直正对试样w0的预制裂纹w1，并保持设定的间距。

本实施例中，电子拉伸机10采用台式结构，其包括底座11、两个竖向间隔连接于底座11的导杆15、固定连接于两个导杆15的横梁16、固定连接于横梁16的驱动装置14。电子拉伸机10可采用常见的机型，例如可使用万能电子拉伸机。温控箱20从上到下罩于所电子拉伸机10的上部，并且温控箱20的下端固连于电子拉伸机10的底座11。温控箱20的温控范围至少包括18-28℃。本实施例中设定温控箱20的设定温度为23℃，即试样w0保持在23℃的环境中循环拉伸。相比于现有技术中的切口管试验(npt)、全缺口拉伸蠕变试验(fnct)、宾夕法尼亚缺口拉伸试验(pent)、缺口环试验(nrt)和点载荷试验(plt)等的试验需要在80℃的环境下进行，并仍需要一年或10⁴小时(约13个月)才能完成测试评价，本实施例中的塑料管材寿命评测装置100能够在较低温度(例如23℃)下进行，并且能够在较短时间内完成试验(将在下文描述)。

在本实施例的一种实施方式中，底座11上还设有用于控制电子拉伸机10启动和停止的开关17；开关17电连接驱动装置14，用于控制驱动装置14的启动和停止。开关17的设置方便在试验出现意外需要停止时，快速关闭。

参见图4，在本实施例的一种实施方式中，上夹头13包括固定部13a和转动部13b；固定部13a的下端设有转销13c、转动部13b为由顶壁和侧围壁构成的朝下开口的杯状结构，顶壁可转动地连接于固定部13a的转销13c，并能够相对固定部13a旋转；侧围壁下端设有内螺纹，内螺纹被构造成用于螺纹配合试样w0上端外周面的外螺纹；下夹头12为开口朝上的杯状结构，下夹头12固定连接底座11，且下夹头12的开口位置设有内螺纹，用于螺纹配合试样w0的下端的外周面的外螺纹。采用该上夹头13、下夹头12需要在试样w0的轴向两端的外周面处开设外螺纹。夹持时，先将试样w0的下端螺纹连接于下夹头12；然后使上夹头13下行的同时旋转上夹头13的转动部13b，使转动部13b的内螺纹螺纹连接于试样w0上端的外螺纹，完成试样w0的装夹。装夹完成之后便可进行试样w0的拉伸试验。

本实施例中的塑料管材寿命评测装置100使用时，将制好的试样w0两端分别夹持于电子拉伸机10的上夹头13和下夹头12之间；使电子显微镜40的镜头41正对试样w0上的预制裂纹w1处；然后启动电子拉伸机10对试样w0进行往复拉伸试验。在往复拉伸试验的同时，注意观察试样w0的预制裂纹w1通过电子显微镜40方法后在显示器50上的成像；当预制裂纹w1出现裂纹萌生时，记录此时电子拉伸机10的拉伸循环次数。通过循环次数评价塑料管材的寿命：出现裂纹萌生时循环次数越多则评定塑料管材的寿命越大。

本实施例中的塑料管材寿命评测装置100通过拉伸试验机循环拉伸及通过电子显微镜40观察试样w0出现裂纹萌生时循环拉伸次数来评定塑料管材的寿命，较之现有技术中的切口管试验(npt)、全缺口拉伸蠕变试验(fnct)、宾夕法尼亚缺口拉伸试验(pent)、缺口环试验(nrt)和点载荷试验(plt)等，具有试验过程快、试验温度要求低的有益效果。

本实施例中，基于该塑料管材寿命评测装置100的塑料管材寿命评价方法包括如下步骤：

s01：试样装夹。

在本实施例中，将试样w0的上下端分别夹持在上夹头13和下夹头12。其中，试样w0的夹持位置与预制裂纹w1之间的最短距离为5mm-10mm。也即是说，夹持件与预制裂纹w1之间的最短距离lmin为5mm-10mm。lmin设定在上述范围内，可以避免拉伸过程中夹持件与预制裂纹w1之间的距离过大导致裂纹无法在预制裂纹w1附近萌生的情况发现，也可以避免拉伸过程中夹持件与预制裂纹w1之间的距离过小导致试样w0被拉断从而无法实现试验目的的情况发生。在本实施例中，夹持件与预制裂纹w1之间的最短距离lmin为7.5mm。

s02：使电子拉伸机10采用预设频率f拉伸试样w0，拉伸过程中拉伸应力在最大预设应力fmax和最小预设应力fmin之间逐渐往复变化，拉伸应力每变化一次为一个周期。

请参照图5，图5为在拉伸试样w0的过程中，拉伸应力的变化曲线图。从图中可以看出，在拉伸过程中拉伸应力从最小预设应力fmin逐渐增大至最大预设应力fmax，然后又从最大预设应力fmax逐渐减小至最小预设应力fmin。如此往复，对试样w0进行拉伸。其中，拉伸应力从最小预设应力fmin逐渐增大至最大预设应力fmax的时间与拉伸应力最大预设应力fmax逐渐减小至最小预设应力fmin的时间相同。拉伸应力在最小预设应力fmin和最大预设应力fmax之间变化一次为一个周期。

最小预设应力fmin和最大预设应力fmax的单位均为mpa，预设频率f的单位为hz。

预设频率f可以在5hz-15hz之间进行选择，这样可以避免因预设频率f过小导致评价周期延长的问题，也可以避免因预设频率f过大导致无法准确反映塑料管材寿命的问题。在本实施例中，预设频率f＝10hz。

另外，在本实施例中，最大预设应力fmax根据试样w0材料的密度进行设置。如果试样w0材料的密度大，则增大最大预设应力fmax；如果试样w0材料的密度小，则减小最大预设应力fmax。

还需要进一步说明的是，最小预设应力fmin与最大预设应力fmax的比值r大于等于0.1，小于等于1.0。这样，能够确保最小预设应力fmin也能够达到对试样w0施加足够导致裂纹萌生的载荷的作用，降低评价周期。在本实施例中，最小预设应力fmin与最大预设应力fmax的比值r＝0.5。

s03：采用电子显微镜40观察试样w0的表面，当预制裂纹w1附近萌生新的裂纹时，记录拉伸应力的变化次数nini和应力范围△σ；

将变化次数nini转换为拉伸时间t；

其中，△σ＝fmax-fmin，t＝nini/(0*f)；

△σ、fmax和fmin的单位均为mpa；t的单位为小时；f的单位为hz；nini的单位为次。

请再次参照图1，在本实施例中，利用电子显微镜40观察试样w0的表面。观察试样w0的表面是为了判断预制裂纹w1附近是否萌生了新的裂纹。由于预制裂纹w1附近萌生的新的裂纹的尺寸非常小，因此，为了能够立即掌握预制裂纹w1附近裂纹萌生情况，在本实施例中采用电子显微镜40观察试样w0的表面。进一步的，为了能够全面的观察试样w0的表面，在本实施例中，多个电子显微镜40围绕试样w0均匀布置。进一步的，参见图3，采用四个电子显微镜40围绕试样w0均匀布置，相邻的电子显微镜40之间的夹角为90°。这样即可全面的观察试样w0表明，即时掌握预制裂纹w1附近裂纹萌生情况。进一步的，在本实施例中，电子显微镜40垂直对准预制裂纹w1，也即是说电子显微镜40与试样w0的轴线垂直。这样，预制裂纹w1上方和下方萌生的新的裂纹都可以准确地被电子显微镜40采集到，且预制裂纹w1上方和下方萌生的新的裂纹都能够被清楚的显示，有利于工作人员掌握预制裂纹w1附近裂纹萌生情况。

当工作人员观察到预制裂纹w1附近萌生了新的裂纹后，记录拉伸应力的变化次数nini和应力范围△σ。变化次数nini的单位为次，其相当于拉伸应力的循环周期数。应力范围△σ是指最大预设应力fmax和最小预设应力fmin的差，即△σ＝fmax-fmin，△σ的单位为mpa。然后，将变化次数nini转换为拉伸时间t。t＝nini/(3600*f)，t的单位为小时。

绘制双对数坐标图。参照图6，图6为本实施例中的绘制双对数坐标图。在双对数坐标图中，横坐标为拉伸时间t，纵坐标为应力范围△σ。将上面得到的t和△σ作为双对数坐标图中的一个坐标点绘制在双对数坐标图中。

s04：采用不同的应力范围△σ重复步骤s01-步骤s03，得到多个拉伸时间t。根据多个应力范围△σ以及对应的拉伸时间t得到对个绘制双对数坐标图中的坐标点，将这些坐标点绘制在双对数坐标图中。然后根据双对数坐标图中的坐标点绘制表示t与△σ关系的线条，进而完成双对数坐标图的绘制。根据双对数坐标图，即可判断构成试样w0的材料在制作成塑料管材后，其使用寿命与应力范围△σ的关系。其中，拉伸时间t越大，表示构成试样w0的材料制作的塑料管材的使用寿命越长。

本实施例提供的塑料管材寿命评价方法在18℃-28℃的环境下执行，即可确保在几十个小时甚至几个小时内就能观察到裂纹萌生，进而大大降低了评价周期，有助于提升塑料管材专用树脂的开发速度。同时，本实施例提供的塑料管材寿命评价方法，在评价周期内能够观测到试样w0失效后的微观形态，提高了评价结果的准确性。相对于现有的切口管试验(npt)、全缺口拉伸蠕变试验(fnct)、宾夕法尼亚缺口拉伸试验(pent)、缺口环试验(nrt)和点载荷试验(plt)等评价方法需要在80℃左右进行试验，本实施例提供的塑料管材寿命评价方法对环境温度要求低，能够有效降低评价成本。进一步的，在本实施例中，塑料管材寿命评价方法在23℃的环境下执行。

需要进一步说明的是，本实施例提供的塑料管材寿命评价方法还包括制作试样w0的步骤，制作试样w0的步骤包括：

(1)注塑制出圆柱形棒料；

(2)裁剪所述圆柱形棒料，得到半成品；

(3)以0.03mm-0.04mm/圈的刀片给进速度在所述半成品的周面加工出环形的预制裂纹w1，得到试样w0。

以0.03mm-0.04mm/圈的刀片给进速度加工预制裂纹w1，能够确保预制裂纹w1表面光滑。这样，能够避免刀片给进速度过慢导致的预制裂纹w1表面出现毛刺，进而影响新的裂纹萌生的问题；也能够避免刀片给进速度过快导致的在加工过程中预制裂纹w1周围出现裂纹的问题。使得评价结果更加准确。

下面，对本实施例提供的塑料管材寿命评价方法做进一步说明：

表1中示出了在其他条件相同的情况下(本实施例中采用的条件)，选用不同的预设频率f执行塑料管材寿命评价方法的情况。

表1

预设频率f3hz4hz5hz10hz15hz16hz17hz

执行结果121小时萌生新的裂纹110小时萌生新的裂纹85小时萌生新的裂纹73小时萌生新的裂纹70小时萌生新的裂纹50小时试样w0出现大面积拉伤47小时试样w0出现大面积拉伤

从表1可以看出：当f小于5hz时，评价周期过长；当5hz≤f≤15hz时，评价周期大幅度缩短；当f大于15hz时，短时间内导致试样w0出现大面积拉伤，导致无法对塑料管材的寿命进行评价。

表2中示出了在其他条件相同的情况下(本实施例中采用的条件)，选用不同数值的r执行塑料管材寿命评价方法的情况。

表2

r0.050.080.10.50.60.70.95

执行结果152小时萌生新的裂纹141小时萌生新的裂纹87小时萌生新的裂纹73小时萌生新的裂纹78小时萌生新的裂纹110小时萌生新的裂纹140小时萌生新的裂纹

从表2中可以看出：当r小于0.1时，由于最小预设应力fmin过小，导致无法对试样w0施加足够大的载荷，进而使得新的裂纹萌生时间延长，增加了评价周期；当0.1≤r≤0.6时，由于最小预设应力fmin增大，使得新的裂纹萌生时间缩短，进而缩短的评价后奏起；当r大于0.6时，由于最小预设应力fmin与最大预设应力fmax之间的差异变小，导致试样w0承受的交变载荷减小，也使得新的裂纹萌生时间延长，增加了评价周期。

本实施例采用实施例前述的塑料管材寿命评价方法，分别对pe100-1、pe100-2、pe100rc-3和pe100rc-4四种不同材料进行试验，并将上述四种材料的表示t与△σ关系的线条绘制在同一个双对数坐标图中。图7为本实施例中的双对数坐标图。通过图7，可以对比上述四种材料在相同的应力范围△σ下，拉伸时间t的不同。在相同的应力范围△σ下，拉伸时间t越大的材料，其制成的塑料管材的使用寿命越长。这样，即可对不同材料制成的塑料管材的寿命进行对比评价，从而对塑料管材专用树脂的研发提供参考。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为了清楚说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。