GB/T 34645—2017《金属管材收缩应变比试验方法》解读

刘宏伟, 张嘉伟, 李 剑, 徐军梅, 杨小娟, 李 超

(宝鸡钛业股份有限公司, 宝鸡 721014)

GB/T 34645—2017《金属管材收缩应变比试验方法》已于2017年9月29日发布，2018年4月1日实施[1]。金属管材收缩应变比(CSR)(周向塑性真应变与壁厚塑性真应变的比值)试验，是用于宏观评价管材织构的方法。与微观织构分析相比，测试部位由管材局部改为全截面整管段，代表性更强；制样更容易，试样更宜获取，试样可操作性强，结果一致性和重复性好，可作为产品符合性检测项目。目前，高精度管材均要求进行金属管材CSR试验[2-3]，自2007年以来，国内在核电技术引进项目中也要求进行该项测试。“十二五”期间，“四代机”、“大运”、“大飞”等重大项目里也均对TA18钛合金液压管进行了CSR试验，并提出了具体技术指标。随着管材CSR方法应用领域的不断扩展，越来越多的高精度管材将CSR作为产品预研、工艺改进、质量管控的重要参考。

GB/T 34645—2017在编制过程中，对国内外金属管的管材收缩应变化试验方法进行了汇总、翻译和分析。采用试验室间比对的方式，进行了方法的可行性验证。各家比对试验室在采用本方法时，均能满足设备、环境、试样制备、方法过程控制、数据处理与结果表示等要求。比对结果表明该方法具备可适用性，可以达到规范试验操作的目的，具有较好的可操作性和结果复现性。为了更好地对GB/T 34645—2017进行宣贯，现对主要技术内容作如下说明。

1 主要的技术内容

1.1 标准的编制原则

该标准在编制时，起草小组主要以ASTM B 811—2013《核反应堆包壳管用高精度锆合金无缝管技术标准》中 的A4部分《锆合金管材收缩应变比推荐试验方法》，及SAE AS 4076：2013《钛合金液压管收缩应变比试验方法》为基础，考虑了目前已制定的企业标准和技术协议等相关要求，并结合近年来关于金属管材CSR试验的经验，确定出以下原则。

(1) GB/T 34645—2017所涉及的内容应涵盖国内金属管材进行CSR试验的实际情况，技术水平不低于当前国际水平。

(2) 以ASTM B 811—2013中的A4部分及SAE AS 4076:2013为技术要求的基础，当部分技术要求不一致时，选二者中要求高者。

(3) 涉及其他测试方法、检定/校准规程、数值修约等统一选用国家标准。

(4) GB/T 34645—2017严格按照GB/T 1.1—2009《标准化工作导则 第1部分：标准的结构和编写》的规定进行编写。

1.2 确定标准主要内容的论据

为使GB/T 34645—2017具有相对普遍的指导意义，起草小组人员在标准的适用性、科学性及合理性方面进行了大量的工作，起草小组人员收集和查阅了目前国内外关于管材CSR试验方法的资料，结合国内金属管材CSR测试要求及技术现状，并参考国外试验标准，通过对试验方法进行分析，编写了GB/T 34645—2017，目的是满足国内相关行业企业和科研院所的需求。

1.3 适用范围

根据当前需进行CSR试验作为交货验收指标的产品种类及未来方法的应用预期，规定了GB/T 34645—2017适用于钛、锆及不锈钢等金属高精度特殊用途管材CSR的测试。

1.4 规范性引用文件

GB/T 34645—2017主要涉及试样尺寸测量、小变形拉伸试验、引伸计的使用及结果修约等方面，GB/T 34645—2017未细化的技术要求统一用国家标准进行规范。小变形拉伸试验采用GB/T 228.1—2010《金属材料 拉伸试验 第1部分：室温试验方法》，结果修约采用GB/T 8170—2008《数值修约规则与极限数值的表示和判断》，引伸计精度控制采用GB/T 12160—2002《单轴试验用引伸计的标定》[4-6]。

1.5 术语和定义

GB/T 228.1—2010中界定的术语和定义适用于GB/T 34645—2017。其他关键术语以ASTM B 811—2013中的A4部分及SAE AS 4076—2013的含义在BG/T 34645—2017中进行了定义。

1.6 符号

为方便记录、计算，GB/T 34645—2017定义了常用符号。其中真应变的符号Ea(轴向塑性真应变)、Ec(周向塑性真应变)、Er(壁厚塑性真应变) 沿用ASTM B 811—2013中A4部分与SAE AS 4076：2013中的符号，其主要目的是增加标准的通用性与实用性，更好地兼容到世界贸易组织(WTO)的标准体系中。

1.7 试验原理

金属管材在单轴拉伸应力下失效过程涉及3个方向的应变，即管材长度方向的应变增加、管材直径的减少(减径量)和管材壁厚的减少(减壁量)，见图1。第一个应变是增量化，后两个应变都是减量化，而最终失效的表现形式为管材破裂即管材某一局部的壁厚减少到零。因此，金属管材在单轴拉伸应力下是以减径量作为主要变形方向还是以减壁量作为主要变形方向成为考核管材服役安全性的重要指标。显然，将减径量作为主要变形方向，而减壁量作为次要变形方向的设计是最安全的，即工艺上通过提高减径量与减壁量的比值，这样就能保证管材可以在被拉得很长的情况下变得细长而不至于很快被拉断。

图1 管材单轴拉伸示意图Fig.1 Diagram of uniaxial tension of tubing

金属管材的CSR是受其晶体结构和加工工艺影响的，例如TA18钛合金为近α钛合金，多晶体材料内部以密排六方结构的α相居多，在管材成型的不同阶段随着各道次的减径量和减壁量不同，材料内的α相会形成不同的织构，密排六方结构的α相就像管壁内的支架，见图2。当其与管壁垂直时具有高的CSR值，减壁就困难，而减径就成了主变形。相反当其与管壁平行时具有低的CSR值，减壁就容易些，减壁就成了主变形。而这一切最终取决于减径量与减壁量的比值(Q值)高低、累计变形率和退火温度。

图2 加工方式对管材织构的影响示意图Fig.2 Diagram of the effect of processing methods on the texture of tubing

金属管材的CSR值是周向塑性真应变与壁厚塑性真应变的比值，但由于普通试验室不具备直接测量壁厚塑性真应变的设备和能力，因此，根据体积不变原理(如图3所示，即abc=a1b1c1)和管材拉伸时抗拉强度前为均匀变形(如图4所示)的前提下，通过试验前后直接测量周向塑性真应变和轴向塑性真应变间接计算出壁厚塑性真应变，最后用周向塑性真应变与壁厚塑性真应变的比值表征金属管材的CSR值。为便于对GB/T 34645—2017的理解与掌握，GB/T 34645-2017采用符合体积不变原理假设进行了说明,即变形前后管材标距、周长和壁厚符合体积不变原理，满足关系式Ea+Ec+Er=0。

图3 体积不变原理示意图Fig.3 Diagram of volume invariance principle

图4 抗拉强度前为均匀变形的曲线Fig.4 Curve of uniform deformation before tensile strength

通过测量规定总延伸率水平下的轴向塑性真应变Ea和周向塑性真应变Ec，间接计算出管材CSR值。

1.8 试验装置

结合国内设备情况，为保证试验精度,拉伸试验机的整体要求应符合GB/T 228.1—2010相关规定。测量精度方面结合ASTM B811—2013中 的A4部分及SAE AS 4076:2013的要求，取其精度要求高者。国内外标准主要技术指标见表1。标准中推荐的测量装置示意图如图5所示。

图5 管材测量装置示意图Fig.5 Diagram of the tubing measuring device

1.9 试样

GB/T 34645—2017规范了取样、试样尺寸及试样制备的要求，保证了试验的一致性与可重复性。结合图示对管材表面划线的要求进行了详细的规定。周向等间隔划线3条，轴线每90°划线，共4条，这些数目是为了保证测量数据有足够的代表性。由

表1 国内外标准主要技术指标对照表Tab.1 Comparison table of main technical indicators of domestic and foreign standards

于实际生产的管材和选取的试样都不是完全规则的，例如拉伸前管材的椭圆度、壁厚均匀性、直线度等都会存在差异，拉伸过程中管材标距内的变形也不是完全均匀，因此需要多点测量以保证一定的代表性。此外，国外有些标准要求同样的标距内周向需等间隔划线5条，也是出于以上目的来考虑的。

1.10 试验程序

为了使试验结果一致性与可重复性高，GB/T 34645—2017对试验过程的要求尽量细化，尤其是对拉伸前后测量基准的选取、确定等,结合示意图进行了详细规定，示意见图6。试验室可以利用一切凡满足GB/T 34645—2017中7.3.2款要求的方法制备标距基线，但由于再细的标记线也会具有一定的宽度，对于一些塑性变形量较小的试验，排除标距线宽对测量结果的影响就显得尤为重要。这方面主要是通过合理的放大倍率与对测量基准点的规定如图6中的A1，A2和A3点来实现的。

图6 试样纵向标距线和圆周线交叉示意图Fig.6 Diagram of intersection of longitudinal gauge line and circumferential line of sample

为了提高试验过程的一致性和可操作性，减少不确定因素的影响，GB/T 34645—2017还对试样的夹持、加载速率、停止条件等进行了明确要求，并首次对弹性回滞现象以及消除措施进行了说明，即部分材料会存在明显的弹性回滞现象，试样在拉伸完毕，卸载后，需静置一段时间再进行尺寸测量，具体情况依据材料属性或产品要求执行[7-8]。

1.11 计算

轴向塑性真应变Ea，周向塑性真应变Ec，壁厚塑性真应变Er的计算式如下

(1)

(2)

Er=-(Ea+Ec)

(3)

式中：L为管材轴向拉伸变形后标距的平均值；Lo为管材轴向原始标距的平均值；d为管材轴向拉伸变形后外径的平均值；do为管材原始外径的平均值。

收缩应变比X的计算式为

(4)

为确保试验结果的一致性，规定计算结果至少保留4位有效数字。一方面是为了确保试验结果具有足够的精度，另一方面也考虑到试验室可以利用计算机建立公式后自动计算结果，这样有效位数可能会大于4位。同时计算结果至少保留4位有效数字再经修约后，可以确保各试验室间结果的一致性。

1.12 有效性判断及修约

结合实际试验中遇到的特殊情况，GB/T 34645—2017相对于国外标准,其对试验的有效性进行了规定，明确了CSR的表达式只适合均匀塑性应变阶段的情况，当标距范围内出现明显颈缩时则试验无效，应补做同样数量的试验。为确保试验结果真实有效，同时规范了数值结果的表达方式。

1.13 试验报告内容要求

GB/T 34645—2017较国外标准增加了试验报告内容的要求，以便于客户能够获得足够多的信息，并保证试验的可重复性。

2 标准验证及其水平分析

GB/T 34645—2017是国内首次起草的金属管CSR试验方法国家标准，填补了国内该试验方法标准的空白。GB/T 34645—2017对试验原理、试验设备、试样、试验程序、计算、有效性判定和试验报告等进行了详细规定，可操作性强、提高了方法测试结果的一致性。在国外同类标准的基础上首次对试验原理进行了说明，便于使用者对GB/T 34645—2017的理解。设备精度要求符合当前国内试验机现状，测量精度要求均采用当前国际相关标准中最严的规定，GB/T 34645—2017制定过程中与国内知名航天航空及核材企业进行了技术交流与试验方法比对(见图7～图10)，其中图9和图10为TA18钛管和Zr4锆管的稳健Z比分数。

图7 试验室间比对TA18钛管的CSRFig.7 Comparison of CSR of TA18 titanium tube between laboratories

图8 试验室间比对Zr4锆管的CSRFig.8 Comparison of CSR of Zr4 zirconium tube between laboratories

图9 试验室间比对TA18钛管的Z值Fig.9 Comparison of Z value of TA18 titanium tube between laboratories

图10 试验室间比对Zr4锆管的Z值Fig.10 Comparison of Z value of Zr4 zirconium tube between laboratories

结果表明GB/T 34645—2017可完全满足国内航天、航空及核用重要用途金属管材产品进行CSR检测的需求。在对国外金属管材CSR试验方法的调研分析过程中，ASTM B 811—2013中的A4部分及SAE AS 4076：2013分别对核用锆管及钛合金液压管的CSR试验方法进行了规范，国内部分航空企业参考以上方法制定了内部技术规程，GB/T 34645—2017为国内首次起草的金属管材CSR试验方法的国家标准。

3 结束语

GB/T 34645—2017的制定使国内金属管材CSR试验方法更加规范，提高了操作一致性与结果重复性。使国内金属管材CSR试验方法的整体测试水平达到了国际先进水平，在满足金属管材CSR试验方法需求的同时提高了在国际市场上的竞争实力，对促进国内金属管材CSR试验方法、测试水平，以及高精度管材研发技术的提高有重要的影响。

(4) 试样跨度的增大使得试样的受热区域增大，温度梯度减小，温度趋于均匀，热扩散能力下降，冷却速度降低。