鋯合金力學性能分析

竇麗娟+徐呈+唐穎+孫利元

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

【關鍵次】高溫拉伸性能；室溫拉伸性能；拉伸試驗；應力；應變

中圖分類號： TG146.414 文獻標識碼： A 文章編號： 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

拉伸試驗是材料力學性能測試中最常見試驗方法之一。試驗中的彈性變形、塑性變形、斷裂等各階段真實反映了材料抵抗外力作用的全過程，它具有簡單易行、試樣制備方便等特點。拉伸試驗所得到的材料強度和塑性性能數(shù)據(jù)，對于設計和選材、新材料的研制、材料的采購和驗收、產(chǎn)品的質量控制以及設備的安全和評估都有很重要的應用價值和參考價值。鋯合金室溫拉伸性能表示鋯合金材料在10℃～35℃溫度范圍內的拉伸試驗結果，對于溫度要求嚴格的試驗，溫度范圍應控制在23℃±5℃條件下進行。鋯合金的高溫拉伸性能則表示鋯合金材料在溫度大于35℃條件下的拉伸試驗結果。由拉伸試驗所得到的應力-應變曲線圖給出了材料的強度性能和塑性性能指標，它是塑性成形力學理論最基本的試驗資料。原子間結合力的程度，實際反應了在屈服條件以下材料抵抗變形的能力，在工程應用上有重要的作用。本文對我公司常進行的包殼管和連接棒室溫、高溫拉伸性能進行比較分析、探討、總結，得出結論。

1 試驗原理及方法過程

1.1 試驗原理

（1）材料的拉伸性能主要與材料內部的成分和組織結構有關，同時還受到加載速度、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：有明顯屈服流動臺階和無明顯屈服流動臺階兩類。而我們常用的有色金屬鋯則屬于后者，對于此類金屬材料規(guī)定有0.2%殘余應變時的應力作為條件屈服強度Rp0.2，或者把割線模量Es=0.7E的應力作為抗拉強度Rm（E為彈性模量）

（2）拉伸圖與應力—應變圖，試驗時，將試樣安裝在萬能試驗機上，然后均勻緩慢地加載，使試樣拉伸直至斷裂。繪出試樣在試驗的過程中工作段的伸長與受力的關系曲線，即F-Δl曲線，稱為拉伸圖。

屈服極限Rp0.2及抗拉強度Rm是特性點的應力，均是反映材料力學性質的重要指標，而延伸率

A則是反映材料塑性性質的重要指標。

1.2 試驗控制及試驗數(shù)據(jù)

1.2.1 試驗控制

試驗選擇CMT5105拉伸試驗機，試驗機的測力系統(tǒng)按照GB/T16825.1進行校準，其準確度優(yōu)于0.5級。引伸計的準確度級別符合GB/T12160的要求，不劣于1級準確度。計算機控制拉伸試驗機滿足滿足GB/T22066。試驗力值精度在0.5%，調節(jié)試驗機左右引伸計的偏差不大于1μm。

試驗測定的性能結果數(shù)值按照相關產(chǎn)品標準的要求進行修約，強度性能修約至1MPa，斷后延伸率修約至0.5%。

試驗選用鋯合金包殼管做同時間下，不同溫度和應力下的室溫拉伸試驗及高溫拉伸試驗。

1.2.2 試驗數(shù)據(jù)

選用鋯合金包殼管在380℃和20℃的不同溫度下試驗，其拉伸試驗結果見表1。

2 分析討論

2.1 數(shù)據(jù)處理

依據(jù)式應力-應變曲線圖對試驗數(shù)據(jù)處理，分別對各溫度下抗拉強度（Rm）、屈服強度（Rp0.2）和斷后延伸率A。通過標準差分析，將鋯合金包殼管通過拉伸試驗機測量的鋯合金的抗拉強度Rm、屈服強度Rp0.2和斷后延伸率平均值結果與通過GB/4338-2006（金屬材料 高溫拉伸試驗方法）、GB/T228.1-2010（金屬材料 拉伸試驗第一部分：室溫試驗方法）測量結果進行比偏差比較，見表2。endprint

2.2 分析討論

2.2.1 試驗數(shù)據(jù)變動性分析

表2的各組數(shù)值標準差較小，即數(shù)值波動較小，所以在通過拉伸試驗機測量鋯合金的拉伸性能時，試驗結果不隨時間和所加應力發(fā)生變化，其各組試驗數(shù)據(jù)表明通過此方法可以測量鋯合金在高溫、室溫條件下的應力—應變指數(shù)。

2.2.2 試驗結果有效性分析

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

2.2.3 與拉伸試驗結果對比

綜合來看，試驗所測不論是抗拉強度還是屈服強度數(shù)據(jù)都比較集中，但也未免會有不合邏輯的現(xiàn)象，這是由于拉伸試驗過程中的彈性變形造成同應力下測量的彈性應變增大引起彈性變形減小。故認為利用萬能試驗機測量鋯合金的溫拉伸性能結果更接近真實值。

3 結論

（1）通過萬能拉伸試驗機測量鋯合金的拉伸力學性能指標數(shù)據(jù)集中，并能保證較高的精度。

（2）利用拉伸試驗機測量鋯合金的高溫拉伸性能、室溫拉伸性能試驗結果偏差較小，精度較高。

（3）同規(guī)格同材料的鋯合金試驗材料抗拉強度大于屈服強度、長標距延伸率數(shù)據(jù)大于短標距延伸率數(shù)據(jù)。

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

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[7]GB/T 4338-2006.金屬材料高溫拉伸試驗方法.

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