竇麗娟+徐呈+唐穎+孫利元

【摘 要】本文主要通過(guò)分析Zr-4合金材料的室溫拉伸性能和高溫拉伸試驗(yàn)特點(diǎn)，提出利用金屬材料 拉伸試驗(yàn)方法測(cè)量Zr-4合金室溫、高溫拉伸性能。并通過(guò)比較分析鋯合金管材在不同溫度和應(yīng)力下的高溫拉伸性能試驗(yàn)數(shù)據(jù)及室溫拉伸性能數(shù)據(jù)，結(jié)果表明試驗(yàn)所用Zr-4合金拉伸性能數(shù)據(jù)集中，誤差較小。

【關(guān)鍵次】高溫拉伸性能；室溫拉伸性能；拉伸試驗(yàn)；應(yīng)力；應(yīng)變

中圖分類號(hào)： TG146.414 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 2095-2457（2017）35-0039-002

Zirconium alloy mechanical properties analysis

DOU Li-juan XU Cheng TANG Ying SUN Li-yuan

（State Key Lab of Nuclear Grade Zirconium， Key Laboratory of Nuclear Grade Zirconium of National Energy Nuclear Grade R & D Center， Baoji Shaanxi 721013， China）

【Abstract】In this paper， the tensile properties of Zr-4 alloy at room temperature and high temperature were investigated by tensile test of Zr-4 alloy at room temperature and high temperature. By comparing and analyzing the tensile test data and the tensile test data at different temperatures and stresses， the results show that the data of the tensile properties of the Zr-4 alloy used in the experiment are less concentrated.

【Key words】High temperature tensile properties； Tensile properties at room temperature； Tensile test； Stress； Strain

0 前言

拉伸試驗(yàn)是材料力學(xué)性能測(cè)試中最常見(jiàn)試驗(yàn)方法之一。試驗(yàn)中的彈性變形、塑性變形、斷裂等各階段真實(shí)反映了材料抵抗外力作用的全過(guò)程，它具有簡(jiǎn)單易行、試樣制備方便等特點(diǎn)。拉伸試驗(yàn)所得到的材料強(qiáng)度和塑性性能數(shù)據(jù)，對(duì)于設(shè)計(jì)和選材、新材料的研制、材料的采購(gòu)和驗(yàn)收、產(chǎn)品的質(zhì)量控制以及設(shè)備的安全和評(píng)估都有很重要的應(yīng)用價(jià)值和參考價(jià)值。鋯合金室溫拉伸性能表示鋯合金材料在10℃～35℃溫度范圍內(nèi)的拉伸試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)于溫度要求嚴(yán)格的試驗(yàn)，溫度范圍應(yīng)控制在23℃±5℃條件下進(jìn)行。鋯合金的高溫拉伸性能則表示鋯合金材料在溫度大于35℃條件下的拉伸試驗(yàn)結(jié)果。由拉伸試驗(yàn)所得到的應(yīng)力-應(yīng)變曲線圖給出了材料的強(qiáng)度性能和塑性性能指標(biāo)，它是塑性成形力學(xué)理論最基本的試驗(yàn)資料。原子間結(jié)合力的程度，實(shí)際反應(yīng)了在屈服條件以下材料抵抗變形的能力，在工程應(yīng)用上有重要的作用。本文對(duì)我公司常進(jìn)行的包殼管和連接棒室溫、高溫拉伸性能進(jìn)行比較分析、探討、總結(jié)，得出結(jié)論。

1 試驗(yàn)原理及方法過(guò)程

1.1 試驗(yàn)原理

（1）材料的拉伸性能主要與材料內(nèi)部的成分和組織結(jié)構(gòu)有關(guān)，同時(shí)還受到加載速度、溫度、受力狀態(tài)等因素的影響。一般金屬材料按其塑性變形性能的不同可分為：有明顯屈服流動(dòng)臺(tái)階和無(wú)明顯屈服流動(dòng)臺(tái)階兩類。而我們常用的有色金屬鋯則屬于后者，對(duì)于此類金屬材料規(guī)定有0.2%殘余應(yīng)變時(shí)的應(yīng)力作為條件屈服強(qiáng)度Rp0.2，或者把割線模量Es=0.7E的應(yīng)力作為抗拉強(qiáng)度Rm（E為彈性模量）

（2）拉伸圖與應(yīng)力—應(yīng)變圖，試驗(yàn)時(shí)，將試樣安裝在萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上，然后均勻緩慢地加載，使試樣拉伸直至斷裂。繪出試樣在試驗(yàn)的過(guò)程中工作段的伸長(zhǎng)與受力的關(guān)系曲線，即F-Δl曲線，稱為拉伸圖。

屈服極限Rp0.2及抗拉強(qiáng)度Rm是特性點(diǎn)的應(yīng)力，均是反映材料力學(xué)性質(zhì)的重要指標(biāo)，而延伸率

A則是反映材料塑性性質(zhì)的重要指標(biāo)。

1.2 試驗(yàn)控制及試驗(yàn)數(shù)據(jù)

1.2.1 試驗(yàn)控制

試驗(yàn)選擇CMT5105拉伸試驗(yàn)機(jī)，試驗(yàn)機(jī)的測(cè)力系統(tǒng)按照GB/T16825.1進(jìn)行校準(zhǔn)，其準(zhǔn)確度優(yōu)于0.5級(jí)。引伸計(jì)的準(zhǔn)確度級(jí)別符合GB/T12160的要求，不劣于1級(jí)準(zhǔn)確度。計(jì)算機(jī)控制拉伸試驗(yàn)機(jī)滿足滿足GB/T22066。試驗(yàn)力值精度在0.5%，調(diào)節(jié)試驗(yàn)機(jī)左右引伸計(jì)的偏差不大于1μm。

試驗(yàn)測(cè)定的性能結(jié)果數(shù)值按照相關(guān)產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)的要求進(jìn)行修約，強(qiáng)度性能修約至1MPa，斷后延伸率修約至0.5%。

試驗(yàn)選用鋯合金包殼管做同時(shí)間下，不同溫度和應(yīng)力下的室溫拉伸試驗(yàn)及高溫拉伸試驗(yàn)。

1.2.2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)

選用鋯合金包殼管在380℃和20℃的不同溫度下試驗(yàn)，其拉伸試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。

2 分析討論

2.1 數(shù)據(jù)處理

依據(jù)式應(yīng)力-應(yīng)變曲線圖對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理，分別對(duì)各溫度下抗拉強(qiáng)度（Rm）、屈服強(qiáng)度（Rp0.2）和斷后延伸率A。通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)差分析，將鋯合金包殼管通過(guò)拉伸試驗(yàn)機(jī)測(cè)量的鋯合金的抗拉強(qiáng)度Rm、屈服強(qiáng)度Rp0.2和斷后延伸率平均值結(jié)果與通過(guò)GB/4338-2006（金屬材料 高溫拉伸試驗(yàn)方法）、GB/T228.1-2010（金屬材料 拉伸試驗(yàn)第一部分：室溫試驗(yàn)方法）測(cè)量結(jié)果進(jìn)行比偏差比較，見(jiàn)表2。endprint

2.2 分析討論

2.2.1 試驗(yàn)數(shù)據(jù)變動(dòng)性分析

表2的各組數(shù)值標(biāo)準(zhǔn)差較小，即數(shù)值波動(dòng)較小，所以在通過(guò)拉伸試驗(yàn)機(jī)測(cè)量鋯合金的拉伸性能時(shí)，試驗(yàn)結(jié)果不隨時(shí)間和所加應(yīng)力發(fā)生變化，其各組試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明通過(guò)此方法可以測(cè)量鋯合金在高溫、室溫條件下的應(yīng)力—應(yīng)變指數(shù)。

2.2.2 試驗(yàn)結(jié)果有效性分析

表2所示，依據(jù)GB/T 4338-2006（金屬材料 高溫拉伸試驗(yàn)方法），測(cè)量鋯合金在380℃，GB/T228.1-2010（金屬材料 拉伸試驗(yàn)第一部分：室溫試驗(yàn)方法）測(cè)量鋯合金在20℃的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度分別為240MPa、137MPa，和530MPa、350MPa。這遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于通過(guò)產(chǎn)品技術(shù)條件制定的鋯合金的高溫抗拉強(qiáng)度和高溫屈服強(qiáng)度值195MPa、120MPa，室溫抗拉強(qiáng)度和室溫屈服強(qiáng)度值413MPa、241MPa，且試驗(yàn)數(shù)據(jù)較為集中，偏差較小。同時(shí)分析認(rèn)為此偏差是由于試驗(yàn)過(guò)程中的塑性變形造成試樣工作長(zhǎng)度區(qū)變長(zhǎng)造成的。

2.2.3 與拉伸試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

綜合來(lái)看，試驗(yàn)所測(cè)不論是抗拉強(qiáng)度還是屈服強(qiáng)度數(shù)據(jù)都比較集中，但也未免會(huì)有不合邏輯的現(xiàn)象，這是由于拉伸試驗(yàn)過(guò)程中的彈性變形造成同應(yīng)力下測(cè)量的彈性應(yīng)變?cè)龃笠饛椥宰冃螠p小。故認(rèn)為利用萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)測(cè)量鋯合金的溫拉伸性能結(jié)果更接近真實(shí)值。

3 結(jié)論

（1）通過(guò)萬(wàn)能拉伸試驗(yàn)機(jī)測(cè)量鋯合金的拉伸力學(xué)性能指標(biāo)數(shù)據(jù)集中，并能保證較高的精度。

（2）利用拉伸試驗(yàn)機(jī)測(cè)量鋯合金的高溫拉伸性能、室溫拉伸性能試驗(yàn)結(jié)果偏差較小，精度較高。

（3）同規(guī)格同材料的鋯合金試驗(yàn)材料抗拉強(qiáng)度大于屈服強(qiáng)度、長(zhǎng)標(biāo)距延伸率數(shù)據(jù)大于短標(biāo)距延伸率數(shù)據(jù)。

（3）同規(guī)格同材料的鋯合金試驗(yàn)材料其高溫強(qiáng)度指標(biāo)低于室溫強(qiáng)度指標(biāo)、高溫塑性指標(biāo)大于室溫塑性指標(biāo)。

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[7]GB/T 4338-2006.金屬材料高溫拉伸試驗(yàn)方法.

[8]GB/T228.1-2010（金屬材料拉伸試驗(yàn)第一部分：室溫試驗(yàn)方法）.endprint