鋯合金力學(xué)性能分析

供稿|竇麗娟, 黨 輝, 徐 呈, 馬玉英, 王 斌/DOU Li-juan, DANG Hui, XU Cheng, MA Yu-ying, WANG bin

拉伸試驗(yàn)是材料力學(xué)性能測(cè)試中最常見試驗(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)某公司生產(chǎn)的鋯合金管材及鋯合金棒材室溫、高溫拉伸性能進(jìn)行了比較分析、探討、總結(jié)，得出簡(jiǎn)單結(jié)論。

試驗(yàn)原理及方法過(guò)程

試驗(yàn)原理

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(E為彈性模量)的應(yīng)力作為抗拉強(qiáng)度Rm。

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。一般的萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)均有自動(dòng)繪圖設(shè)備，可以自動(dòng)繪出試樣在試驗(yàn)的過(guò)程中標(biāo)距段的總變形與受力的關(guān)系曲線，即F-Δl曲線，稱為拉伸圖。為了消除試樣尺寸的影響，將試驗(yàn)拉力F除以試樣的原橫截面面積A，總變形Δl除以原標(biāo)距l(xiāng)，得到材料的應(yīng)力－應(yīng)變圖，即σ-ε圖，如圖1所示。應(yīng)力－應(yīng)變曲線反映了材料本身的力學(xué)性能。

圖1 典型的應(yīng)力－應(yīng)變圖

材料的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、彈性強(qiáng)度是材料特性點(diǎn)的應(yīng)力，均是反映材料力學(xué)強(qiáng)度性能的重要指標(biāo)，而延伸率A=Δl/l×100%則是反映材料塑性性能的重要指標(biāo)。

試驗(yàn)控制及試驗(yàn)數(shù)據(jù)

◆ 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1 μm。

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1 MPa，斷后延伸率修約至0.5%。

試驗(yàn)選用φ10.0 mm×2.0 mm鋯合金管材、φ22 mm合金棒材做同時(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)，試樣采用 GB/T228.1—2010(金屬材料 拉伸試驗(yàn)第一部分：室溫試驗(yàn)方法)中規(guī)定的定標(biāo)距A50(%)和長(zhǎng)標(biāo)距A11.3(%)。

◆ 試驗(yàn)數(shù)據(jù)

選用φ10.0 mm×2.0 mm鋯合金管材在370 ℃和20 ℃的不同溫度下試驗(yàn)，其拉伸試驗(yàn)結(jié)果見表1。選擇φ22 mm鋯合金棒在336 ℃和20 ℃的不同溫度下試驗(yàn)，其拉伸試驗(yàn)結(jié)果見表2。

表1 φ10.0 mm×2.0 mm鋯合金管材的拉伸數(shù)據(jù)

表2 φ22 mm鋯合金棒材的拉伸數(shù)據(jù)

試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理和分析討論

數(shù)據(jù)處理

依據(jù)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(σb)Rm、屈服強(qiáng)度(σ0.2)Rp0.2和斷后延伸率A進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)、計(jì)算。通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)差分析，將φ10.0 mm×2.0 mm鋯合金管材通過(guò)拉伸試驗(yàn)機(jī)測(cè)量的抗拉強(qiáng)度Rm、屈服強(qiáng)度Rp0.2和斷后延伸率A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)行偏差比較，見表3。將φ22 mm鋯合金棒材通過(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A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)行偏差比較，見表4。

表3 φ10.0 mm×2.0 mm鋯合金包殼管拉伸數(shù)據(jù)處理結(jié)果

表4 φ22 mm鋯合金棒材拉伸數(shù)據(jù)處理結(jié)果

分析討論

◆ 試驗(yàn)數(shù)據(jù)變動(dòng)性分析

表3、表4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)。

◆ 試驗(yàn)結(jié)果有效性分析

表3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-4合金管材在370 ℃溫度條件下抗拉強(qiáng)度為250 MPa，屈服強(qiáng)度為138 MPa。依據(jù)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-4合金管材在20 ℃溫度條件下的抗拉強(qiáng)度為543 MPa，屈服強(qiáng)度為352 MPa。這遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于通過(guò)產(chǎn)品技術(shù)條件制定的鋯合金管材的高溫抗拉強(qiáng)度和高溫屈服強(qiáng)度值215 MPa、150 MPa，室溫抗拉強(qiáng)度和室溫屈服強(qiáng)度值443 MPa、271 MPa，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。

◆ 與拉伸試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

表4所示，依據(jù)GB/T4338—2006(金屬材料 高溫拉伸試驗(yàn)方法)，測(cè)量鋯合金棒材在336℃、20℃下抗拉強(qiáng)度平均值分別為250 MPa，543 MPa，屈服強(qiáng)度平均值分別為138 MPa和352 MPa。均比通過(guò)通過(guò)產(chǎn)品技術(shù)條件制定的鋯合金棒材的高溫抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度值244 MPa、123 MPa值偏大，滿足技術(shù)工藝要求。

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)量鋯合金的拉伸性能結(jié)果更接近真實(shí)值。

結(jié)束語(yǔ)

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。

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。

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)。

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)。