锆合金力学性能分析

供稿|窦丽娟, 党 辉, 徐 呈, 马玉英, 王 斌/DOU Li-juan, DANG Hui, XU Cheng, MA Yu-ying, WANG bin

拉伸试验是材料力学性能测试中最常见试验方法之一。试验中的弹性变形、塑性变形、断裂等各阶段真实反映了材料抵抗外力作用的全过程。它具有简单易行、试样制备方便等特点，拉伸试验所得到的材料强度和塑性性能数据，对于设计和选材、新材料的研制、材料的采购和验收、产品的质量控制以及设备的安全和评估都有很重要的应用价值和参考价值。锆合金室温拉伸性能表示锆合金材料在10～35 ℃温度范围内的拉伸试验结果，对于温度要求严格的试验，温度范围应控制在23 ℃±5 ℃条件下进行。锆合金的高温拉伸性能则表示锆合金材料在温度大于35 ℃条件下的拉伸试验结果。由拉伸试验所得到的应力－应变曲线图给出了材料的强度性能和塑性性能指标，它是塑性成形力学理论最基本的试验资料。原子间结合力的程度，实际反应了在屈服条件以下材料抵抗变形的能力，在工程应用上有重要的作用。本文对某公司生产的锆合金管材及锆合金棒材室温、高温拉伸性能进行了比较分析、探讨、总结，得出简单结论。

试验原理及方法过程

试验原理

材料的拉伸性能主要与材料内部的成分和组织结构有关，同时还受到加载速度、温度、受力状态等因素的影响。一般金属材料按其塑性变形性能的不同可分为：有明显屈服流动台阶和无明显屈服流动台阶两类。而我们常用的有色金属锆则属于后者，对于此类金属材料规定有0.2%残余应变时的应力作为条件屈服强度Rp0.2，或者把割线模量Es=0.7E(E为弹性模量)的应力作为抗拉强度Rm。

拉伸图与应力－应变图。试验时，将试样安装在万能试验机上，然后均匀缓慢地加载，使试样拉伸直至断裂。一般的万能试验机均有自动绘图设备，可以自动绘出试样在试验的过程中标距段的总变形与受力的关系曲线，即F-Δl曲线，称为拉伸图。为了消除试样尺寸的影响，将试验拉力F除以试样的原横截面面积A，总变形Δl除以原标距l，得到材料的应力－应变图，即σ-ε图，如图1所示。应力－应变曲线反映了材料本身的力学性能。

图1 典型的应力－应变图

材料的抗拉强度、屈服强度、弹性强度是材料特性点的应力，均是反映材料力学强度性能的重要指标，而延伸率A=Δl/l×100%则是反映材料塑性性能的重要指标。

试验控制及试验数据

◆ 试验控制

试验选择CMT5105拉伸试验机，试验机的测力系统按照GB/T16825.1进行校准，其准确度优于0.5级。引伸计的准确度级别符合GB/T12160的要求，不劣于1级准确度。计算机控制拉伸试验机满足GB/T22066。试验力值精度在0.5%，调节试验机左右引伸计的偏差不大于1 μm。

试验测定的性能结果数值按照相关产品标准的要求进行修约，强度性能修约至1 MPa，断后延伸率修约至0.5%。

试验选用φ10.0 mm×2.0 mm锆合金管材、φ22 mm合金棒材做同时间下，不同温度和应力下的室温拉伸试验及高温拉伸试验，试样采用 GB/T228.1—2010(金属材料 拉伸试验第一部分：室温试验方法)中规定的定标距A50(%)和长标距A11.3(%)。

◆ 试验数据

选用φ10.0 mm×2.0 mm锆合金管材在370 ℃和20 ℃的不同温度下试验，其拉伸试验结果见表1。选择φ22 mm锆合金棒在336 ℃和20 ℃的不同温度下试验，其拉伸试验结果见表2。

表1 φ10.0 mm×2.0 mm锆合金管材的拉伸数据

表2 φ22 mm锆合金棒材的拉伸数据

试验数据处理和分析讨论

数据处理

依据应力－应变曲线图对试验数据处理，分别对各温度下抗拉强度(σb)Rm、屈服强度(σ0.2)Rp0.2和断后延伸率A进行了统计、计算。通过标准差分析，将φ10.0 mm×2.0 mm锆合金管材通过拉伸试验机测量的抗拉强度Rm、屈服强度Rp0.2和断后延伸率A平均值结果与通过GB/4338—2006(金属材料 高温拉伸试验方法)、GB/T228.1—2010(金属材料 拉伸试验第一部分：室温试验方法)测量结果进行偏差比较，见表3。将φ22 mm锆合金棒材通过拉伸试验机测量的锆合金的抗拉强度Rm、屈服强度Rp0.2和断后延伸率A平均值结果与通过GB/4338—2006(金属材料 高温拉伸试验方法)、GB/T228.1—2010(金属材料 拉伸试验第一部分：室温试验方法)测量结果进行偏差比较，见表4。

表3 φ10.0 mm×2.0 mm锆合金包壳管拉伸数据处理结果

表4 φ22 mm锆合金棒材拉伸数据处理结果

分析讨论

◆ 试验数据变动性分析

表3、表4的各组数值标准差较小，即数值波动较小，所以在通过拉伸试验机测量锆合金的拉伸性能时，试验结果不随时间和所加应力发生变化，其各组试验数据表明通过此方法可以测量锆合金在高温、室温条件下的应力-应变指数。

◆ 试验结果有效性分析

表3所示，依据GB/T 4338—2006(金属材料 高温拉伸试验方法)测量锆-4合金管材在370 ℃温度条件下抗拉强度为250 MPa，屈服强度为138 MPa。依据GB/T228.1—2010(金属材料 拉伸试验第一部分：室温试验方法)测量锆-4合金管材在20 ℃温度条件下的抗拉强度为543 MPa，屈服强度为352 MPa。这远远大于通过产品技术条件制定的锆合金管材的高温抗拉强度和高温屈服强度值215 MPa、150 MPa，室温抗拉强度和室温屈服强度值443 MPa、271 MPa，且试验数据较为集中，偏差较小。同时分析认为此偏差是由于试验过程中的塑性变形造成试样工作长度区变长造成的。

◆ 与拉伸试验结果对比

表4所示，依据GB/T4338—2006(金属材料 高温拉伸试验方法)，测量锆合金棒材在336℃、20℃下抗拉强度平均值分别为250 MPa，543 MPa，屈服强度平均值分别为138 MPa和352 MPa。均比通过通过产品技术条件制定的锆合金棒材的高温抗拉强度和屈服强度值244 MPa、123 MPa值偏大，满足技术工艺要求。

综合来看，试验所测不论是抗拉强度还是屈服强度数据都比较集中，但也未免会有不合逻辑的现象，这是由于拉伸试验过程中的弹性变形造成同应力下测量的弹性应变增大引起弹性变形减小。故认为利用万能试验机测量锆合金的拉伸性能结果更接近真实值。

结束语

通过万能拉伸试验机测量锆合金的拉伸力学性能指标数据集中，并能保证较高的精度。

利用拉伸试验机测量锆合金的高温拉伸性能、室温拉伸性能试验结果偏差较小，精度较高。

同规格同材料的锆合金试验材料抗拉强度大于屈服强度、长标距延伸率数据大于短标距延伸率数据。

同规格同材料的锆合金试验材料其高温强度指标低于室温强度指标、高温塑性指标大于室温塑性指标。