GB/T 34645—2017《金屬管材收縮應變比試驗方法》解讀

劉宏偉, 張嘉偉, 李 劍, 徐軍梅, 楊小娟, 李 超

(寶雞鈦業股份有限公司, 寶雞 721014)

GB/T 34645—2017《金屬管材收縮應變比試驗方法》已于2017年9月29日發布，2018年4月1日實施[1]。金屬管材收縮應變比(CSR)(周向塑性真應變與壁厚塑性真應變的比值)試驗，是用于宏觀評價管材織構的方法。與微觀織構分析相比，測試部位由管材局部改為全截面整管段，代表性更強；制樣更容易，試樣更宜獲取，試樣可操作性強，結果一致性和重復性好，可作為產品符合性檢測項目。目前，高精度管材均要求進行金屬管材CSR試驗[2-3]，自2007年以來，國內在核電技術引進項目中也要求進行該項測試。“十二五”期間，“四代機”、“大運”、“大飛”等重大項目里也均對TA18鈦合金液壓管進行了CSR試驗，并提出了具體技術指標。隨著管材CSR方法應用領域的不斷擴展，越來越多的高精度管材將CSR作為產品預研、工藝改進、質量管控的重要參考。

GB/T 34645—2017在編制過程中，對國內外金屬管的管材收縮應變化試驗方法進行了匯總、翻譯和分析。采用試驗室間比對的方式，進行了方法的可行性驗證。各家比對試驗室在采用本方法時，均能滿足設備、環境、試樣制備、方法過程控制、數據處理與結果表示等要求。比對結果表明該方法具備可適用性，可以達到規范試驗操作的目的，具有較好的可操作性和結果復現性。為了更好地對GB/T 34645—2017進行宣貫，現對主要技術內容作如下說明。

1 主要的技術內容

1.1 標準的編制原則

該標準在編制時，起草小組主要以ASTM B 811—2013《核反應堆包殼管用高精度鋯合金無縫管技術標準》中 的A4部分《鋯合金管材收縮應變比推薦試驗方法》，及SAE AS 4076：2013《鈦合金液壓管收縮應變比試驗方法》為基礎，考慮了目前已制定的企業標準和技術協議等相關要求，并結合近年來關于金屬管材CSR試驗的經驗，確定出以下原則。

(1) GB/T 34645—2017所涉及的內容應涵蓋國內金屬管材進行CSR試驗的實際情況，技術水平不低于當前國際水平。

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

(3) 涉及其他測試方法、檢定/校準規程、數值修約等統一選用國家標準。

(4) GB/T 34645—2017嚴格按照GB/T 1.1—2009《標準化工作導則 第1部分：標準的結構和編寫》的規定進行編寫。

1.2 確定標準主要內容的論據

為使GB/T 34645—2017具有相對普遍的指導意義，起草小組人員在標準的適用性、科學性及合理性方面進行了大量的工作，起草小組人員收集和查閱了目前國內外關于管材CSR試驗方法的資料，結合國內金屬管材CSR測試要求及技術現狀，并參考國外試驗標準，通過對試驗方法進行分析，編寫了GB/T 34645—2017，目的是滿足國內相關行業企業和科研院所的需求。

1.3 適用范圍

根據當前需進行CSR試驗作為交貨驗收指標的產品種類及未來方法的應用預期，規定了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的測試。

1.4 規范性引用文件

GB/T 34645—2017主要涉及試樣尺寸測量、小變形拉伸試驗、引伸計的使用及結果修約等方面，GB/T 34645—2017未細化的技術要求統一用國家標準進行規范。小變形拉伸試驗采用GB/T 228.1—2010《金屬材料 拉伸試驗 第1部分：室溫試驗方法》，結果修約采用GB/T 8170—2008《數值修約規則與極限數值的表示和判斷》，引伸計精度控制采用GB/T 12160—2002《單軸試驗用引伸計的標定》[4-6]。

1.5 術語和定義

GB/T 228.1—2010中界定的術語和定義適用于GB/T 34645—2017。其他關鍵術語以ASTM B 811—2013中的A4部分及SAE AS 4076—2013的含義在BG/T 34645—2017中進行了定義。

1.6 符號

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

1.7 試驗原理

金屬管材在單軸拉伸應力下失效過程涉及3個方向的應變，即管材長度方向的應變增加、管材直徑的減少(減徑量)和管材壁厚的減少(減壁量)，見圖1。第一個應變是增量化，后兩個應變都是減量化，而最終失效的表現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。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計是最安全的，即工藝上通過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的情況下變得細長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是受其晶體結構和加工工藝影響的，例如TA18鈦合金為近α鈦合金，多晶體材料內部以密排六方結構的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，材料內的α相會形成不同的織構，密排六方結構的α相就像管壁內的支架，見圖2。當其與管壁垂直時具有高的CSR值，減壁就困難，而減徑就成了主變形。相反當其與管壁平行時具有低的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、累計變形率和退火溫度。

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

金屬管材的CSR值是周向塑性真應變與壁厚塑性真應變的比值，但由于普通試驗室不具備直接測量壁厚塑性真應變的設備和能力，因此，根據體積不變原理(如圖3所示，即abc=a1b1c1)和管材拉伸時抗拉強度前為均勻變形(如圖4所示)的前提下，通過試驗前后直接測量周向塑性真應變和軸向塑性真應變間接計算出壁厚塑性真應變，最后用周向塑性真應變與壁厚塑性真應變的比值表征金屬管材的CSR值。為便于對GB/T 34645—2017的理解與掌握，GB/T 34645-2017采用符合體積不變原理假設進行了說明,即變形前后管材標距、周長和壁厚符合體積不變原理，滿足關系式Ea+Ec+Er=0。

圖3 體積不變原理示意圖Fig.3 Diagram of volume invariance principle

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

通過測量規定總延伸率水平下的軸向塑性真應變Ea和周向塑性真應變Ec，間接計算出管材CSR值。

1.8 試驗裝置

結合國內設備情況，為保證試驗精度,拉伸試驗機的整體要求應符合GB/T 228.1—2010相關規定。測量精度方面結合ASTM B811—2013中 的A4部分及SAE AS 4076:2013的要求，取其精度要求高者。國內外標準主要技術指標見表1。標準中推薦的測量裝置示意圖如圖5所示。

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

1.9 試樣

GB/T 34645—2017規范了取樣、試樣尺寸及試樣制備的要求，保證了試驗的一致性與可重復性。結合圖示對管材表面劃線的要求進行了詳細的規定。周向等間隔劃線3條，軸線每90°劃線，共4條，這些數目是為了保證測量數據有足夠的代表性。由

表1 國內外標準主要技術指標對照表Tab.1 Comparison table of main technical indicators of domestic and foreign standards

于實際生產的管材和選取的試樣都不是完全規則的，例如拉伸前管材的橢圓度、壁厚均勻性、直線度等都會存在差異，拉伸過程中管材標距內的變形也不是完全均勻，因此需要多點測量以保證一定的代表性。此外，國外有些標準要求同樣的標距內周向需等間隔劃線5條，也是出于以上目的來考慮的。

1.10 試驗程序

為了使試驗結果一致性與可重復性高，GB/T 34645—2017對試驗過程的要求盡量細化，尤其是對拉伸前后測量基準的選取、確定等,結合示意圖進行了詳細規定，示意見圖6。試驗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距基線，但由于再細的標記線也會具有一定的寬度，對于一些塑性變形量較小的試驗，排除標距線寬對測量結果的影響就顯得尤為重要。這方面主要是通過合理的放大倍率與對測量基準點的規定如圖6中的A1，A2和A3點來實現的。

圖6 試樣縱向標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

為了提高試驗過程的一致性和可操作性，減少不確定因素的影響，GB/T 34645—2017還對試樣的夾持、加載速率、停止條件等進行了明確要求，并首次對彈性回滯現象以及消除措施進行了說明，即部分材料會存在明顯的彈性回滯現象，試樣在拉伸完畢，卸載后，需靜置一段時間再進行尺寸測量，具體情況依據材料屬性或產品要求執行[7-8]。

1.11 計算

軸向塑性真應變Ea，周向塑性真應變Ec，壁厚塑性真應變Er的計算式如下

(1)

(2)

Er=-(Ea+Ec)

(3)

式中：L為管材軸向拉伸變形后標距的平均值；Lo為管材軸向原始標距的平均值；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。

收縮應變比X的計算式為

(4)

為確保試驗結果的一致性，規定計算結果至少保留4位有效數字。一方面是為了確保試驗結果具有足夠的精度，另一方面也考慮到試驗室可以利用計算機建立公式后自動計算結果，這樣有效位數可能會大于4位。同時計算結果至少保留4位有效數字再經修約后，可以確保各試驗室間結果的一致性。

1.12 有效性判斷及修約

結合實際試驗中遇到的特殊情況，GB/T 34645—2017相對于國外標準,其對試驗的有效性進行了規定，明確了CSR的表達式只適合均勻塑性應變階段的情況，當標距范圍內出現明顯頸縮時則試驗無效，應補做同樣數量的試驗。為確保試驗結果真實有效，同時規范了數值結果的表達方式。

1.13 試驗報告內容要求

GB/T 34645—2017較國外標準增加了試驗報告內容的要求，以便于客戶能夠獲得足夠多的信息，并保證試驗的可重復性。

2 標準驗證及其水平分析

GB/T 34645—2017是國內首次起草的金屬管CSR試驗方法國家標準，填補了國內該試驗方法標準的空白。GB/T 34645—2017對試驗原理、試驗設備、試樣、試驗程序、計算、有效性判定和試驗報告等進行了詳細規定，可操作性強、提高了方法測試結果的一致性。在國外同類標準的基礎上首次對試驗原理進行了說明，便于使用者對GB/T 34645—2017的理解。設備精度要求符合當前國內試驗機現狀，測量精度要求均采用當前國際相關標準中最嚴的規定，GB/T 34645—2017制定過程中與國內知名航天航空及核材企業進行了技術交流與試驗方法比對(見圖7～圖10)，其中圖9和圖10為TA18鈦管和Zr4鋯管的穩健Z比分數。

圖7 試驗室間比對TA18鈦管的CSRFig.7 Comparison of CSR of TA18 titanium tube between laboratories

圖8 試驗室間比對Zr4鋯管的CSRFig.8 Comparison of CSR of Zr4 zirconium tube between laboratories

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

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

結果表明GB/T 34645—2017可完全滿足國內航天、航空及核用重要用途金屬管材產品進行CSR檢測的需求。在對國外金屬管材CSR試驗方法的調研分析過程中，ASTM B 811—2013中的A4部分及SAE AS 4076：2013分別對核用鋯管及鈦合金液壓管的CSR試驗方法進行了規范，國內部分航空企業參考以上方法制定了內部技術規程，GB/T 34645—2017為國內首次起草的金屬管材CSR試驗方法的國家標準。

3 結束語

GB/T 34645—2017的制定使國內金屬管材CSR試驗方法更加規范，提高了操作一致性與結果重復性。使國內金屬管材CSR試驗方法的整體測試水平達到了國際先進水平，在滿足金屬管材CSR試驗方法需求的同時提高了在國際市場上的競爭實力，對促進國內金屬管材CSR試驗方法、測試水平，以及高精度管材研發技術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域增大，溫度梯度減小，溫度趨于均勻，熱擴散能力下降，冷卻速度降低。