內壓法鋯合金薄壁管彈性模量試驗研究

摘 要： 薄壁管內壓加載下的彈性模量測量具有較大難度，通常采用拉伸法測得的彈性模量來近似代替。該研究基于彈性力學理論，推導薄壁管受內壓時的應力和應變公式，進而建立薄壁管受內壓時的彈性模量分析模型。完成某型鋯合金薄壁管在20～400 ℃ 下的內壓試驗和拉伸試驗，對比分析兩種方法得到的彈性模量差異。研究結果表明，該鋯合金薄壁管20～400 ℃ 的彈性模量在67～96 GPa 之間，且彈性模量隨溫度的增加而減小；基于內壓法和拉伸法得到的鋯合金薄壁管彈性模量趨勢一致，且該變化趨勢符合指數函數規律。兩種方法所得鋯合金薄壁管的彈性模量存在3% 的差異，該差異在核電等精密領域不可忽視。因此，該研究建立的基于內壓法的彈性模量試驗方法具有良好的可行性，可更準確地描述薄壁管在內壓狀態下的力學性能。

關鍵詞： 內壓法; 薄壁管; 彈性模量; 鋯合金

中圖分類號： TB9; O343.1; O348.5 文獻標志碼： A 文章編號： 1674–5124（2024）10–0087–06

0 引 言

彈性模量作為材料的一個基本力學參數，在材料的工程應用過程中起到重要的指導作用。相同的應用場景下，如果所用材料彈性模量變小，意味著材料的變形量變大。在核電等精密控制領域，需要嚴格明確并控制鋯合金包殼管和導向管的形變，因此精確獲得其彈性模量對核電的安全運行至關重要。

根據彈性力學的定義，彈性模量是材料某一方向的應力與對應方向應變的比值。對于受到內外壓力的薄壁管件[1-2]，其主要的形變方向其實是沿管的周向（環向）[3]，因此通過傳統拉伸試驗獲得管材的軸向彈性模量并不能精確反應管材主要受力方向的力學性能，所以研究和設計合理的試驗方法，獲得薄壁管受內壓時的彈性模量具有重要的工程應用價值。

彈性模量的測量方法多種多樣，例如拉伸法[4]、超聲法[5]、激振法[6] 以及近幾年研究較多的壓入法[7-8]。近年來針對薄壁金屬管材彈性模量試驗方法的研究相對較少，尤其是鋯合金彈性模量[9] 的研究，本文基于彈性力學內壓理論及管材的爆破性能研究[10-11]，得到了薄壁管受內壓時的彈性模量理論模型，進而通過施加內壓的方法[12]，發展了一套新的測定薄壁管彈性模量的試驗方法，為受內外壓力的薄壁管材的彈性模量研究提供了一種新的技術路徑。