GB/T 34645—2017《金屬管材收縮應(yīng)變比試驗(yàn)方法》解讀

劉宏偉, 張嘉偉, 李 劍, 徐軍梅, 楊小娟, 李 超

(寶雞鈦業(yè)股份有限公司, 寶雞 721014)

GB/T 34645—2017《金屬管材收縮應(yīng)變比試驗(yàn)方法》已于2017年9月29日發(fā)布，2018年4月1日實(shí)施[1]。金屬管材收縮應(yīng)變比(CSR)(周向塑性真應(yīng)變與壁厚塑性真應(yīng)變的比值)試驗(yàn)，是用于宏觀評(píng)價(jià)管材織構(gòu)的方法。與微觀織構(gòu)分析相比，測(cè)試部位由管材局部改為全截面整管段，代表性更強(qiáng)；制樣更容易，試樣更宜獲取，試樣可操作性強(qiáng)，結(jié)果一致性和重復(fù)性好，可作為產(chǎn)品符合性檢測(cè)項(xiàng)目。目前，高精度管材均要求進(jìn)行金屬管材CSR試驗(yàn)[2-3]，自2007年以來(lái)，國(guó)內(nèi)在核電技術(shù)引進(jìn)項(xiàng)目中也要求進(jìn)行該項(xiàng)測(cè)試。“十二五”期間，“四代機(jī)”、“大運(yùn)”、“大飛”等重大項(xiàng)目里也均對(duì)TA18鈦合金液壓管進(jìn)行了CSR試驗(yàn)，并提出了具體技術(shù)指標(biāo)。隨著管材CSR方法應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴(kuò)展，越來(lái)越多的高精度管材將CSR作為產(chǎn)品預(yù)研、工藝改進(jìn)、質(zhì)量管控的重要參考。

GB/T 34645—2017在編制過(guò)程中，對(duì)國(guó)內(nèi)外金屬管的管材收縮應(yīng)變化試驗(yàn)方法進(jìn)行了匯總、翻譯和分析。采用試驗(yàn)室間比對(duì)的方式，進(jìn)行了方法的可行性驗(yàn)證。各家比對(duì)試驗(yàn)室在采用本方法時(shí)，均能滿足設(shè)備、環(huán)境、試樣制備、方法過(guò)程控制、數(shù)據(jù)處理與結(jié)果表示等要求。比對(duì)結(jié)果表明該方法具備可適用性，可以達(dá)到規(guī)范試驗(yàn)操作的目的，具有較好的可操作性和結(jié)果復(fù)現(xiàn)性。為了更好地對(duì)GB/T 34645—2017進(jìn)行宣貫，現(xiàn)對(duì)主要技術(shù)內(nèi)容作如下說(shuō)明。

1 主要的技術(shù)內(nèi)容

1.1 標(biāo)準(zhǔn)的編制原則

該標(biāo)準(zhǔn)在編制時(shí)，起草小組主要以ASTM B 811—2013《核反應(yīng)堆包殼管用高精度鋯合金無(wú)縫管技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》中 的A4部分《鋯合金管材收縮應(yīng)變比推薦試驗(yàn)方法》，及SAE AS 4076：2013《鈦合金液壓管收縮應(yīng)變比試驗(yàn)方法》為基礎(chǔ)，考慮了目前已制定的企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)協(xié)議等相關(guān)要求，并結(jié)合近年來(lái)關(guān)于金屬管材CSR試驗(yàn)的經(jīng)驗(yàn)，確定出以下原則。

(1) GB/T 34645—2017所涉及的內(nèi)容應(yīng)涵蓋國(guó)內(nèi)金屬管材進(jìn)行CSR試驗(yàn)的實(shí)際情況，技術(shù)水平不低于當(dāng)前國(guó)際水平。

(2) 以ASTM B 811—2013中的A4部分及SAE AS 4076:2013為技術(shù)要求的基礎(chǔ)，當(dāng)部分技術(shù)要求不一致時(shí)，選二者中要求高者。

(3) 涉及其他測(cè)試方法、檢定/校準(zhǔn)規(guī)程、數(shù)值修約等統(tǒng)一選用國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。

(4) GB/T 34645—2017嚴(yán)格按照GB/T 1.1—2009《標(biāo)準(zhǔn)化工作導(dǎo)則 第1部分：標(biāo)準(zhǔn)的結(jié)構(gòu)和編寫》的規(guī)定進(jìn)行編寫。

1.2 確定標(biāo)準(zhǔn)主要內(nèi)容的論據(jù)

為使GB/T 34645—2017具有相對(duì)普遍的指導(dǎo)意義，起草小組人員在標(biāo)準(zhǔn)的適用性、科學(xué)性及合理性方面進(jìn)行了大量的工作，起草小組人員收集和查閱了目前國(guó)內(nèi)外關(guān)于管材CSR試驗(yàn)方法的資料，結(jié)合國(guó)內(nèi)金屬管材CSR測(cè)試要求及技術(shù)現(xiàn)狀，并參考國(guó)外試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，通過(guò)對(duì)試驗(yàn)方法進(jìn)行分析，編寫了GB/T 34645—2017，目的是滿足國(guó)內(nèi)相關(guān)行業(yè)企業(yè)和科研院所的需求。

1.3 適用范圍

根據(jù)當(dāng)前需進(jìn)行CSR試驗(yàn)作為交貨驗(yàn)收指標(biāo)的產(chǎn)品種類及未來(lái)方法的應(yīng)用預(yù)期，規(guī)定了GB/T 34645—2017適用于鈦、鋯及不銹鋼等金屬高精度特殊用途管材CSR的測(cè)試。

1.4 規(guī)范性引用文件

GB/T 34645—2017主要涉及試樣尺寸測(cè)量、小變形拉伸試驗(yàn)、引伸計(jì)的使用及結(jié)果修約等方面，GB/T 34645—2017未細(xì)化的技術(shù)要求統(tǒng)一用國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行規(guī)范。小變形拉伸試驗(yàn)采用GB/T 228.1—2010《金屬材料 拉伸試驗(yàn) 第1部分：室溫試驗(yàn)方法》，結(jié)果修約采用GB/T 8170—2008《數(shù)值修約規(guī)則與極限數(shù)值的表示和判斷》，引伸計(jì)精度控制采用GB/T 12160—2002《單軸試驗(yàn)用引伸計(jì)的標(biāo)定》[4-6]。

1.5 術(shù)語(yǔ)和定義

GB/T 228.1—2010中界定的術(shù)語(yǔ)和定義適用于GB/T 34645—2017。其他關(guān)鍵術(shù)語(yǔ)以ASTM B 811—2013中的A4部分及SAE AS 4076—2013的含義在BG/T 34645—2017中進(jìn)行了定義。

1.6 符號(hào)

為方便記錄、計(jì)算，GB/T 34645—2017定義了常用符號(hào)。其中真應(yīng)變的符號(hào)Ea(軸向塑性真應(yīng)變)、Ec(周向塑性真應(yīng)變)、Er(壁厚塑性真應(yīng)變) 沿用ASTM B 811—2013中A4部分與SAE AS 4076：2013中的符號(hào)，其主要目的是增加標(biāo)準(zhǔn)的通用性與實(shí)用性，更好地兼容到世界貿(mào)易組織(WTO)的標(biāo)準(zhǔn)體系中。

1.7 試驗(yàn)原理

金屬管材在單軸拉伸應(yīng)力下失效過(guò)程涉及3個(gè)方向的應(yīng)變，即管材長(zhǎng)度方向的應(yīng)變?cè)黾印⒐懿闹睆降臏p少(減徑量)和管材壁厚的減少(減壁量)，見(jiàn)圖1。第一個(gè)應(yīng)變是增量化，后兩個(gè)應(yīng)變都是減量化，而最終失效的表現(xiàn)形式為管材破裂即管材某一局部的壁厚減少到零。因此，金屬管材在單軸拉伸應(yīng)力下是以減徑量作為主要變形方向還是以減壁量作為主要變形方向成為考核管材服役安全性的重要指標(biāo)。顯然，將減徑量作為主要變形方向，而減壁量作為次要變形方向的設(shè)計(jì)是最安全的，即工藝上通過(guò)提高減徑量與減壁量的比值，這樣就能保證管材可以在被拉得很長(zhǎng)的情況下變得細(xì)長(zhǎng)而不至于很快被拉斷。

圖1 管材單軸拉伸示意圖Fig.1 Diagram of uniaxial tension of tubing

金屬管材的CSR是受其晶體結(jié)構(gòu)和加工工藝影響的，例如TA18鈦合金為近α鈦合金，多晶體材料內(nèi)部以密排六方結(jié)構(gòu)的α相居多，在管材成型的不同階段隨著各道次的減徑量和減壁量不同，材料內(nèi)的α相會(huì)形成不同的織構(gòu)，密排六方結(jié)構(gòu)的α相就像管壁內(nèi)的支架，見(jiàn)圖2。當(dāng)其與管壁垂直時(shí)具有高的CSR值，減壁就困難，而減徑就成了主變形。相反當(dāng)其與管壁平行時(shí)具有低的CSR值，減壁就容易些，減壁就成了主變形。而這一切最終取決于減徑量與減壁量的比值(Q值)高低、累計(jì)變形率和退火溫度。

圖2 加工方式對(duì)管材織構(gòu)的影響示意圖Fig.2 Diagram of the effect of processing methods on the texture of tubing

金屬管材的CSR值是周向塑性真應(yīng)變與壁厚塑性真應(yīng)變的比值，但由于普通試驗(yàn)室不具備直接測(cè)量壁厚塑性真應(yīng)變的設(shè)備和能力，因此，根據(jù)體積不變?cè)?如圖3所示，即abc=a1b1c1)和管材拉伸時(shí)抗拉強(qiáng)度前為均勻變形(如圖4所示)的前提下，通過(guò)試驗(yàn)前后直接測(cè)量周向塑性真應(yīng)變和軸向塑性真應(yīng)變間接計(jì)算出壁厚塑性真應(yīng)變，最后用周向塑性真應(yīng)變與壁厚塑性真應(yīng)變的比值表征金屬管材的CSR值。為便于對(duì)GB/T 34645—2017的理解與掌握，GB/T 34645-2017采用符合體積不變?cè)砑僭O(shè)進(jìn)行了說(shuō)明,即變形前后管材標(biāo)距、周長(zhǎng)和壁厚符合體積不變?cè)恚瑵M足關(guān)系式Ea+Ec+Er=0。

圖3 體積不變?cè)硎疽鈭DFig.3 Diagram of volume invariance principle

圖4 抗拉強(qiáng)度前為均勻變形的曲線Fig.4 Curve of uniform deformation before tensile strength

通過(guò)測(cè)量規(guī)定總延伸率水平下的軸向塑性真應(yīng)變Ea和周向塑性真應(yīng)變Ec，間接計(jì)算出管材CSR值。

1.8 試驗(yàn)裝置

結(jié)合國(guó)內(nèi)設(shè)備情況，為保證試驗(yàn)精度,拉伸試驗(yàn)機(jī)的整體要求應(yīng)符合GB/T 228.1—2010相關(guān)規(guī)定。測(cè)量精度方面結(jié)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。國(guó)內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)主要技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表1。標(biāo)準(zhǔn)中推薦的測(cè)量裝置示意圖如圖5所示。

圖5 管材測(cè)量裝置示意圖Fig.5 Diagram of the tubing measuring device

1.9 試樣

GB/T 34645—2017規(guī)范了取樣、試樣尺寸及試樣制備的要求，保證了試驗(yàn)的一致性與可重復(fù)性。結(jié)合圖示對(duì)管材表面劃線的要求進(jìn)行了詳細(xì)的規(guī)定。周向等間隔劃線3條，軸線每90°劃線，共4條，這些數(shù)目是為了保證測(cè)量數(shù)據(jù)有足夠的代表性。由

表1 國(guó)內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)主要技術(shù)指標(biāo)對(duì)照表Tab.1 Comparison table of main technical indicators of domestic and foreign standards

于實(shí)際生產(chǎn)的管材和選取的試樣都不是完全規(guī)則的，例如拉伸前管材的橢圓度、壁厚均勻性、直線度等都會(huì)存在差異，拉伸過(guò)程中管材標(biāo)距內(nèi)的變形也不是完全均勻，因此需要多點(diǎn)測(cè)量以保證一定的代表性。此外，國(guó)外有些標(biāo)準(zhǔn)要求同樣的標(biāo)距內(nèi)周向需等間隔劃線5條，也是出于以上目的來(lái)考慮的。

1.10 試驗(yàn)程序

為了使試驗(yàn)結(jié)果一致性與可重復(fù)性高，GB/T 34645—2017對(duì)試驗(yàn)過(guò)程的要求盡量細(xì)化，尤其是對(duì)拉伸前后測(cè)量基準(zhǔn)的選取、確定等,結(jié)合示意圖進(jìn)行了詳細(xì)規(guī)定，示意見(jiàn)圖6。試驗(yàn)室可以利用一切凡滿足GB/T 34645—2017中7.3.2款要求的方法制備標(biāo)距基線，但由于再細(xì)的標(biāo)記線也會(huì)具有一定的寬度，對(duì)于一些塑性變形量較小的試驗(yàn)，排除標(biāo)距線寬對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響就顯得尤為重要。這方面主要是通過(guò)合理的放大倍率與對(duì)測(cè)量基準(zhǔn)點(diǎn)的規(guī)定如圖6中的A1，A2和A3點(diǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

圖6 試樣縱向標(biāo)距線和圓周線交叉示意圖Fig.6 Diagram of intersection of longitudinal gauge line and circumferential line of sample

為了提高試驗(yàn)過(guò)程的一致性和可操作性，減少不確定因素的影響，GB/T 34645—2017還對(duì)試樣的夾持、加載速率、停止條件等進(jìn)行了明確要求，并首次對(duì)彈性回滯現(xiàn)象以及消除措施進(jìn)行了說(shuō)明，即部分材料會(huì)存在明顯的彈性回滯現(xiàn)象，試樣在拉伸完畢，卸載后，需靜置一段時(shí)間再進(jìn)行尺寸測(cè)量，具體情況依據(jù)材料屬性或產(chǎn)品要求執(zhí)行[7-8]。

1.11 計(jì)算

軸向塑性真應(yīng)變Ea，周向塑性真應(yīng)變Ec，壁厚塑性真應(yīng)變Er的計(jì)算式如下

(1)

(2)

Er=-(Ea+Ec)

(3)

式中：L為管材軸向拉伸變形后標(biāo)距的平均值；Lo為管材軸向原始標(biāo)距的平均值；d為管材軸向拉伸變形后外徑的平均值；do為管材原始外徑的平均值。

收縮應(yīng)變比X的計(jì)算式為

(4)

為確保試驗(yàn)結(jié)果的一致性，規(guī)定計(jì)算結(jié)果至少保留4位有效數(shù)字。一方面是為了確保試驗(yàn)結(jié)果具有足夠的精度，另一方面也考慮到試驗(yàn)室可以利用計(jì)算機(jī)建立公式后自動(dòng)計(jì)算結(jié)果，這樣有效位數(shù)可能會(huì)大于4位。同時(shí)計(jì)算結(jié)果至少保留4位有效數(shù)字再經(jīng)修約后，可以確保各試驗(yàn)室間結(jié)果的一致性。

1.12 有效性判斷及修約

結(jié)合實(shí)際試驗(yàn)中遇到的特殊情況，GB/T 34645—2017相對(duì)于國(guó)外標(biāo)準(zhǔn),其對(duì)試驗(yàn)的有效性進(jìn)行了規(guī)定，明確了CSR的表達(dá)式只適合均勻塑性應(yīng)變階段的情況，當(dāng)標(biāo)距范圍內(nèi)出現(xiàn)明顯頸縮時(shí)則試驗(yàn)無(wú)效，應(yīng)補(bǔ)做同樣數(shù)量的試驗(yàn)。為確保試驗(yàn)結(jié)果真實(shí)有效，同時(shí)規(guī)范了數(shù)值結(jié)果的表達(dá)方式。

1.13 試驗(yàn)報(bào)告內(nèi)容要求

GB/T 34645—2017較國(guó)外標(biāo)準(zhǔn)增加了試驗(yàn)報(bào)告內(nèi)容的要求，以便于客戶能夠獲得足夠多的信息，并保證試驗(yàn)的可重復(fù)性。

2 標(biāo)準(zhǔn)驗(yàn)證及其水平分析

GB/T 34645—2017是國(guó)內(nèi)首次起草的金屬管CSR試驗(yàn)方法國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)該試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)的空白。GB/T 34645—2017對(duì)試驗(yàn)原理、試驗(yàn)設(shè)備、試樣、試驗(yàn)程序、計(jì)算、有效性判定和試驗(yàn)報(bào)告等進(jìn)行了詳細(xì)規(guī)定，可操作性強(qiáng)、提高了方法測(cè)試結(jié)果的一致性。在國(guó)外同類標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上首次對(duì)試驗(yàn)原理進(jìn)行了說(shuō)明，便于使用者對(duì)GB/T 34645—2017的理解。設(shè)備精度要求符合當(dāng)前國(guó)內(nèi)試驗(yàn)機(jī)現(xiàn)狀，測(cè)量精度要求均采用當(dāng)前國(guó)際相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中最嚴(yán)的規(guī)定，GB/T 34645—2017制定過(guò)程中與國(guó)內(nèi)知名航天航空及核材企業(yè)進(jìn)行了技術(shù)交流與試驗(yàn)方法比對(duì)(見(jiàn)圖7～圖10)，其中圖9和圖10為TA18鈦管和Zr4鋯管的穩(wěn)健Z比分?jǐn)?shù)。

圖7 試驗(yàn)室間比對(duì)TA18鈦管的CSRFig.7 Comparison of CSR of TA18 titanium tube between laboratories

圖8 試驗(yàn)室間比對(duì)Zr4鋯管的CSRFig.8 Comparison of CSR of Zr4 zirconium tube between laboratories

圖9 試驗(yàn)室間比對(duì)TA18鈦管的Z值Fig.9 Comparison of Z value of TA18 titanium tube between laboratories

圖10 試驗(yàn)室間比對(duì)Zr4鋯管的Z值Fig.10 Comparison of Z value of Zr4 zirconium tube between laboratories

結(jié)果表明GB/T 34645—2017可完全滿足國(guó)內(nèi)航天、航空及核用重要用途金屬管材產(chǎn)品進(jìn)行CSR檢測(cè)的需求。在對(duì)國(guó)外金屬管材CSR試驗(yàn)方法的調(diào)研分析過(guò)程中，ASTM B 811—2013中的A4部分及SAE AS 4076：2013分別對(duì)核用鋯管及鈦合金液壓管的CSR試驗(yàn)方法進(jìn)行了規(guī)范，國(guó)內(nèi)部分航空企業(yè)參考以上方法制定了內(nèi)部技術(shù)規(guī)程，GB/T 34645—2017為國(guó)內(nèi)首次起草的金屬管材CSR試驗(yàn)方法的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。

3 結(jié)束語(yǔ)

GB/T 34645—2017的制定使國(guó)內(nèi)金屬管材CSR試驗(yàn)方法更加規(guī)范，提高了操作一致性與結(jié)果重復(fù)性。使國(guó)內(nèi)金屬管材CSR試驗(yàn)方法的整體測(cè)試水平達(dá)到了國(guó)際先進(jìn)水平，在滿足金屬管材CSR試驗(yàn)方法需求的同時(shí)提高了在國(guó)際市場(chǎng)上的競(jìng)爭(zhēng)實(shí)力，對(duì)促進(jìn)國(guó)內(nèi)金屬管材CSR試驗(yàn)方法、測(cè)試水平，以及高精度管材研發(fā)技術(shù)的提高有重要的影響。

(4) 試樣跨度的增大使得試樣的受熱區(qū)域增大，溫度梯度減小，溫度趨于均勻，熱擴(kuò)散能力下降，冷卻速度降低。