[发明专利]核燃料包壳管高温双轴蠕变环向变形测量系统及测量方法

说明书

技术领域

本发明属于核燃料及材料力学性能测试技术领域，具体涉及一种核燃料锆合金包壳管双轴蠕变试验技术中环向变形实时测量过程的测量系统、测量方法。

背景技术

锆合金具有中子吸收截面低、优良的抗腐蚀性能和力学性能等优点，被广泛用作核动力反应堆燃料元件包壳及其它堆内构件。新型的商用核燃料包壳管在入堆前必须充分了解锆合金包壳管各项性能，因此需要开展各项性能指标的测试，如腐蚀、吸氢、力学等等。蠕变性能指标是力学性能测试中一个重要的项目。

包壳在堆内实际工况下通常承受多轴应力状态。由于锆合金包壳管壁厚远小于管径，复杂的多轴应力状态可以简化为双轴应力状态，即轴向和环向应力状态。利用气体或者液体内压实现管材的环向应力，同时附加轴向拉伸或压缩载荷以实现不同比例加载的双轴蠕变试验是目前应用较多的试验技术。

双轴蠕变试验中涉及到管材在高温下两个方向的变形实时测量技术。其中轴向变形测量是蠕变性能测试中十分成熟的技术，涉及试样夹持方式、变形引出方式以及相关变形测量方法、规范等在相关标准中都进行了规定。小管径薄壁管的环向变形实时测量是双轴蠕变试验中的技术难点。通常采用两种方式进行环向变形测量，一种是非接触式测量，另一种是接触式测量。

在非接触方式测量方面，光幕千分尺、视屏引伸计等应用较广泛。如文献《Catherine Grosjean, et. al, “Cladding Tube Testing in Creep Conditions under Multiaxial Loadings: A New Device and Some Experimental Results,” Transactions, SMiRT 19, Toronto, August 2007》详细介绍了在锆合金包壳管高温双轴蠕变试验过程利用光幕千分尺进行环向变形测量的测量系统和具体方法。许多研究都采用了上述测量系统和方法进行，如Mathieu PRISER等利用这种测量系统和方法进行了Zr-4合金相关方面的研究（《Mathieu Priser, et.al, Mutiscale Analysis of viscoplastic behaviour of recrystallized Zircaloy-4 at 400°C, Zirconium in the Nuclear Industry:16^th International Symposium, ASTM STP 1529, 2010, pp. 269-296.》）；Martin Rautenberg等利用这种测量系统和方法进行了M5合金相关方面的研究（《Martin Rautenberg,et.al,Microstructure characterization of creep anisotropy at 673K in M5 alloy,Acta Materialia 60(2012) 4319-4327.》）。这类利用光幕千分尺或视频引伸计的非接触方式测量技术虽然原理简单、方法可行，但是其系统复杂，构成的成套设备十分昂贵。

在接触式测量方面，文献《G. Dressler, K. H. Matucha, “Yield and Fracture of Biaxially Stressed Zircaloy-4 Cladding Tubes at Room Temperature and at 400℃,” Zirconium in the Nuclear Industry, ASTM STP 663, A. L. Lowe, Jr. and G. W. Party, Eds. , American Society for Testing and Materials, 1977, pp. 508-552》介绍了一种利用特制高温应变片测小径管材环向变形的测量系统及测量方法。这种针对小管径测量并能长时间保持性能稳定的应变片需要特别制作、价格较贵，且不能重复使用，因而造成试验成本大大增加。