·1332· 工程科学学报，第37卷，第10期 生和扩展的测试方法：但传统的标准测试方法，如 传热管试样的断裂性能评价手段十分有限. 美国材料与试验协会(American society for testing and 对于任何评价传热管断裂性能的试验方法，需 materials,ASTM)标准规定的测试方法忉，不能直接应 要在试验设计和分析手段上有所改进，从而能够正 用在传热管的几何模型上，需要采用原始态的厚大试 确评价临界应力强度因子、裂纹扩展速率等参数 样或展平试样.对于厚大试样，制造裂纹萌生和扩展 Grigoriev等-o首先提出了销加载拉伸测试模型来 的试样比较容易，但对于蒸汽发生器传热管这样的薄 评价锆合金燃料包壳管的断裂性能.本文参考其测 壁管而言，则存在试样取样及模拟工况难等问题.限 试模型并加以改进，应用在蒸汽发生器传热管的疲 制薄壁管材料的断裂力学评价主要有两方面的因素： 劳裂纹扩展试验中.为满足在线测量的需求，本文采 首先，薄壁管的几何结构并不符合ASTM标准所规定 用直流电压降法在线连续测量材料的疲劳裂纹 的试样外形和加载要求.如果使用展平后的传热管试 扩展速率 样，会引入材料微观结构的改变和内应力的重新分布， 1销加载拉伸模型 从而造成很大的不确定性：对于某些辐照后的材料，由 于辐照脆化，使得展平更不可能.其次，如果直接使用 销加载拉伸模型是模拟标准紧凑拉伸试样，将加 传热管状试样，单纯的单向拉伸试验很难在高温下模 载线转移到试样的一端，避免了单向拉伸时的缺点，因 拟出管状试样正确的应力分布状态：同时，由于变形量 此变形和断裂的过程集中在试样的一端局部处，降低 很小，单向拉伸试验也很难对辐照后材料和低塑性材 了加载力，消除了试样突然断裂的可能，同时可测量的 料的断裂性能做出正确的评价侧.因此，国内外对于 位移也大大增加圆，如图1所示 单向拉伸 销加截拉伸 塑性变形区 塑性变形区 断裂区 断裂区 图1销加载拉伸模型.(a)开槽试样：(b)单向拉伸试样的裂纹尖端变形区：(c)销加载拉伸试样的裂纹尖端变形区 Fig.I Pin loading tension model:(a)notched specimen:(b)notch-tip deformation zones under uniaxial tension:(c)notch-tip deformation zones under pin-oading tension 销加载拉伸模型包括试样、夹具和转动销三个部 分，如图2所示.试样直接从实际使用的蒸汽发生器 传热管截取，可以真实地反映材料的加工、热处理和运 行历史，所得试验数据将更能真实地反映材料在实际 工况下的开裂行为.夹具为试样提供加载力，同时固 定试样，保证其在加载过程中不变形，并在一起后在尾 端开有一个圆孔，可以插入一个3mm的圆柱转动 销，加载时夹具可以绕转动销转动，使试样在一端开 图2销加载拉伸夹具和转动销.(a)夹具安装示意图：(b)夹具 转动方式 裂.这种绕固定销转动加载的设计与紧凑拉伸试样在 Fig.2 Pin loading tension fixture and pin:(a)schematic of fixture 单向拉伸下的加载相似. installation:(b)fixture rotation 由于采取了单边拉伸的加载方式，销加载拉伸方 法大大减小了试样裂纹尖端的塑性区，并且由于管状 销加载拉伸试样尺寸与夹具的配合如图3所示. 试样较薄，断裂区弯曲的弧度不大，因而可以近似认为 配合后要满足一定的a/W值，其中a是加载轴心平 传热管的断裂过程是平面应变过程，符合断裂力学的 面到裂纹尖端的距离，W是加载轴心平面到转动轴 评价准则 心的距离.试样的一端必须保证与夹具的端面紧密工程科学学报，第 37 卷，第 10 期 生和扩展的测试方法［3--6］; 但传统的标准测试方法，如 美国材料与试验协会( American society for testing and materials，ASTM) 标准规定的测试方法［7］，不能直接应 用在传热管的几何模型上，需要采用原始态的厚大试 样或展平试样． 对于厚大试样，制造裂纹萌生和扩展 的试样比较容易，但对于蒸汽发生器传热管这样的薄 壁管而言，则存在试样取样及模拟工况难等问题． 限 制薄壁管材料的断裂力学评价主要有两方面的因素: 首先，薄壁管的几何结构并不符合 ASTM 标准所规定 的试样外形和加载要求． 如果使用展平后的传热管试 样，会引入材料微观结构的改变和内应力的重新分布， 从而造成很大的不确定性; 对于某些辐照后的材料，由 于辐照脆化，使得展平更不可能． 其次，如果直接使用 传热管状试样，单纯的单向拉伸试验很难在高温下模 拟出管状试样正确的应力分布状态; 同时，由于变形量 很小，单向拉伸试验也很难对辐照后材料和低塑性材 料的断裂性能做出正确的评价［8］． 因此，国内外对于 传热管试样的断裂性能评价手段十分有限． 对于任何评价传热管断裂性能的试验方法，需 要在试验设计和分析手段上有所改进，从而能够正 确评价临 界 应 力 强 度 因 子、裂 纹 扩 展 速 率 等 参 数． Grigoriev 等［8--10］首先提出了销加载拉伸测试模型来 评价锆合金燃料包壳管的断裂性能． 本文参考其测 试模型并加以改进，应用在蒸汽发生器传热管的疲 劳裂纹扩展试验中． 为满足在线测量的需求，本文采 用直流电压降法［11--14］在线连续测量材料的疲劳裂纹 扩展速率． 1 销加载拉伸模型 销加载拉伸模型是模拟标准紧凑拉伸试样，将加 载线转移到试样的一端，避免了单向拉伸时的缺点，因 此变形和断裂的过程集中在试样的一端局部处，降低 了加载力，消除了试样突然断裂的可能，同时可测量的 位移也大大增加［8］，如图 1 所示． 图 1 销加载拉伸模型． ( a) 开槽试样; ( b) 单向拉伸试样的裂纹尖端变形区; ( c) 销加载拉伸试样的裂纹尖端变形区 Fig． 1 Pin loading tension model: ( a) notched specimen; ( b) notch-tip deformation zones under uniaxial tension; ( c) notch-tip deformation zones under pin-loading tension 销加载拉伸模型包括试样、夹具和转动销三个部 分，如图 2 所示． 试样直接从实际使用的蒸汽发生器 传热管截取，可以真实地反映材料的加工、热处理和运 行历史，所得试验数据将更能真实地反映材料在实际 工况下的开裂行为． 夹具为试样提供加载力，同时固 定试样，保证其在加载过程中不变形，并在一起后在尾 端开有一个圆孔，可以插入一个 3 mm 的圆柱转动 销，加载时夹具可以绕转动销转动，使试样在一端开 裂． 这种绕固定销转动加载的设计与紧凑拉伸试样在 单向拉伸下的加载相似． 由于采取了单边拉伸的加载方式，销加载拉伸方 法大大减小了试样裂纹尖端的塑性区，并且由于管状 试样较薄，断裂区弯曲的弧度不大，因而可以近似认为 传热管的断裂过程是平面应变过程，符合断裂力学的 评价准则． 图 2 销加载拉伸夹具和转动销． ( a) 夹具安装示意图; ( b) 夹具 转动方式 Fig． 2 Pin loading tension fixture and pin: ( a) schematic of fixture installation; ( b) fixture rotation 销加载拉伸试样尺寸与夹具的配合如图 3 所示． 配合后要满足一定的 a /W 值，其中 a 是加载轴心平 面到裂纹尖端的距离，W 是加载轴心平面到转动轴 心的距离． 试样的一端必须保证与夹具的端面紧密 ·1332·