GB/T 38841-2020 力学性能测量 反应后的Nb3Sn复合超导线室温拉伸试验方法

ICS17.220.20;29.050;77.040.10

H22GB

中华人民共和国国家标准

GB/T38841-2020/IEC61788-19:2013

力学性能测量反应后的Nb3Sn

复合超导线室温拉伸试验方法

Mechanicalpropertiesmeasurement-Roomtemperaturetensiletestof

reactedNb3Sncompositesuperconductors

CIEC61788-19:2013,SuperconductivityPart19：孔1echanicalproperties

measurementRoomtemperaturetensiletestofreacted

Nb3Sncompositesuperconductors,IDT)

2020-12-01实施

2020-06-02发布

国家市场监督管理总局

发布

国家标准化管理委员会

GB/T38841-2020/IEC61788-19:2013

目次

前言……………………I

引言

范围…

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GB/T38841-2020/IEC61788-19:2013

目。昌

本标准按照GB/T1.1-2009给出的规则起草。

本标准使用翻译法等同采用IEC61788-19:2013《超导电性第19部分：力学性能测量反应后的

Nb3Sn复合超导线室温拉伸试验方法》。

与本标准中规范性引用文件有一致性对应关系的我国文件如下：

一－GB/T228.1-2010金属材料拉伸试验第1部分：室温试验方法CISO68921:2009,

MOD)

GB/T2900.1002017电工术语超导电性CIEC60050-815:2015,IDT)

一－GB/T12160-2019金属材料单轴试验用引伸计系统的标定CISO9513:2012,IDT)

GB/T136342019金属材料单轴试验机检验用标准测力仪的校准CISO376:2011,IDT)

GB/T16825.12008静力单轴试验机的检验第1部分：拉伸和（或）压力试验机测力系

统的检验与校准CISO7500-1:2004,IDT)

本标准做了下列编辑性修改：

修改了标准名称。

请注意本文件的某些内容可能涉及专利。本文件的发布机构不承担识别这些专利的责任。

本标准由中国科学院提出。

本标准由全国超导标准化技术委员会CSAC/TC265）归口。

本标准起草单位：西部超导材料科技股份有限公司、广东电网有限责任公司、中国科学院物理研究

所、中国科学院高能物理研究所、中国科学院电工研究所。

本标准主要起草人：郭强、宋萌、冯冉、李洁、李超、徐庆金、孙万硕。

I

GB/T38841-2020/IEC61788-19:2013

引

Cu/Nb3Sn超导线是多芯复合超导材料，可以采用不同的方法制备：第一种是青铜法，将Nb/Nb合

金细丝嵌入青铜基体、阻隔层和铜稳定体中。第二种是内锡法，由含储锡层的多芯细丝、阻隔层和铜稳

定体组成。第三种是粉末装管法，Nb/Nb合金管内填充富锡粉末，并嵌入铜稳定体中。

所有类型的Nb3Sn复合线的制备工艺共同点是，达到最终成品线尺寸后，需经过数天热处理形成

Nb3SnA15相，热处理可以是一次或多次且最后一次热处理温度在640℃左右或以上。该超导相很脆，

易导致芯丝断裂，并伴随着超导性能的降低。

商业复合超导线具有高电流密度和小横截面积的特点，其主要应用于制作超导磁体，可以将超导体

绕制在骨架上，然后与骨架一起进行热处理（先绕制后反应），也可以先把超导体进行热处理，然后再绕

制成磁体（先反应后绕制）。绕制磁体时，复杂的应力会施加在磁体绕组上，因此在实际制造过程中，较

少采用先反应后绕制的方法。

如果需要测试反应之前的、尚未形成超导相的复合超导体的力学性能，也可以采用本标准，或者采

用IEC617886。

当磁体通电励磁时，由于超导线的电流密度大，导线上会受到很大的电磁力。若采用先反应后绕制

的磁体制备方法，绕组的应变和应力水平将受到很大的限制。

因此，确定反应后的处于超导相的Nb3Sn复合超导线的力学性能是制作超导磁体的先决条件。

]]

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力学性能测量反应后的Nb3Sn

复合超导线室温拉伸试验方法

1范围

本标准规定了反应后的Cu/Nb3Sn复合超导线室温拉伸试验方法原理、装置、试样制备、测试条件、

结果计算、测量不确定度、测试报告。

本试验方法用于通过应力－应变曲线来测量弹性模量和规定塑性延伸强度（由复合体中铜和铜锡组

分的屈服而产生）。

另外，弹性极限、抗拉强度、断后伸长率可由本方法测量。根据国际循环比对试验报告，弹性极限和

断后伸长率的测量具有很大不确定度，因此，这些物理量为选测。

本标准适用于测量横截面积在0.15mm2~2.0mm2，铜－非铜体积比在0.2～1.5之间的圆形或矩形

截面的元绝缘覆层试样。

2规范性引用文件

下列文件对于本文件的应用是必不可少的。凡是注日期的引用文件，仅注日期的版本适用于本文

件。凡是不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改单）适用于本文件。

ISO376金属材料单轴试验机检验用标准测力仪的校准（Metallicmaterials-Calibrationof

force-provinginstrumentsusedfortheverificationofuniaxialtestingmachines)

ISO6892-1金属材料拉伸试验第1部分：室温试验方法（Metallicmaterials-Tensile

testingPart1:Methodoftestatroomtemperature)

ISO7500-1金属材料静力单轴试验机的检验第1部分：拉伸和（或）压力试验机测力系统的

检验与校准（Metallicmaterials-Verificationofstaticuniaxialtestingmachines-Part1:Tension/

compressiontestingmachinesVerificationandcalibrationoftheforcemeasuringsystem)

ISO9513金属材料单轴试验用引伸计的标定（MetallicmaterialsCalibrationof

extensometersusedinuniaxialtesting)

IEC60050（所有部分）国际电工术语Clnternationalelectrotechnicalvocabulary)

3术语和定义

IEC60050815和ISO68921界定的以及下列术语和定义适用于本文件。

3.1

拉f申应力tensilestress

R

试验期间任一时刻的拉力除以试样原始横截面积之商。

3.2

应变strain

A

试验期间任一时刻的位移增量除以引伸计的初始标距之商。

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3.3

弹性模量modulusofelasticity

E

弹性形变区内应力－应变曲线线性部分的梯度。

3.4

引伸计标距extensometergaugelength

用引伸计测量试样延伸时所使用引伸计初始标距长度。

3.5

夹头间距distancebetweengrips

Lg

夹头之间的长度，夹头用于在测试前固定被测试样。

3.6

0.2%规定塑性延伸强度0.2%proofstrength

Rpo.2

延性材料屈服为0.2%时的应力值。

注：指定屈服强度，R同2-0和R同2-U分别对应于图la）中点A和点C，点C为0.3%～0.4%之间卸载斜率线U平移至

0.2%处，与应力应变曲线的交点。认为这个强度代表复合材料的0.2%规定塑性延伸强度。

3.7

抗拉强度tensilestrength

Rm

最大测试拉力所对应的拉伸应力。

3.8

弹性极限应力tensilestressatelasticlimit

Rei剖llCa

弹性变形向塑性变形转变时拉力除以原始横截面积之商。

3.9

弹性极限应变strainatelasticlimit

Aela'1"max

弹性变形向塑性变形转变时的应变。

注：弹性极限应力Rd,,<icm•

4原理

试验是用超过弹性变形区域的拉力拉伸试样，以测定弹性模量CE）和规定塑性延伸强度R同2。

5装置

5.1总则

试验机和引伸计应分别符合ISO75001和ISO9513。标定工作应符合ISO376。本标准的特殊

要求见5.2～5.3。

5.2试验机

应使用可提供恒定横梁位移速率控制系统的拉伸机。夹头应具有适用于试样的结构和强度，并且

2

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应能和试验机有效地连接。夹头应具有采用挫、滚花或其他方式产生的粗糙表面，保证试样在测试过程

中不会滑动。夹头可以是螺纹型、气动型或者液压型驱动。

5.3引伸计

根据线材直径，引伸计的质量应小于或等于30g，从而不会影响到反应后变脆的超导线的力学性

能。引伸计的质量应相对超导线对称平衡，从而避免任何偏中心线力（参见附录A中A.2）。应注意不

要在试样上引入弯曲力矩。

本测试方法能测量的物理量取决于所选用的应变测量方法。当采用传统的单引伸计系统时，推荐

测量Eu和Rp0.2-U。而当采用双引伸计系统取平均值时，能够对反应后样品的弯曲效应进行补偿并准确

测量弹性模量Eo，因此可以测量本标准描述的所有物理量。

注：更多的信息参见A.2和A.3。

6试样制备

6.1总则

线材试样在热处理前应娇直，并装入内径比线径略大的陶瓷或石英管中。

热处理炉恒温区长度应大于6.2规定的总长度。

将反应后的试样从陶瓷和石英管中人工取出和装样时，应注意避免引人弯曲或预载。

6.2试样长度

试样总长度应为夹头间距加上两个夹头的夹持长度。夹头间距应大于或等于60mm，以便安装引

伸计。

6.3绝缘层去除

如果测试试样表面覆有绝缘材料，应在热处理前去除。可采用化学方法或机械方法，但应注意不要

破坏试样表面（参见A.7）。

6.4横截面积CSa）测量

绝缘层去除后，应使用千分尺或其他测量尺寸的装置来确定其横截面积。圆导线横截面积应采用

两个正交直径的算术平均值计算。矩形导线横截面积从厚度和宽度之积得出，横截面积导角部分的修

正则需经相关方商讨确定（参见A.8）。

7测试条件

7.1试样夹持

试样安装在拉伸机的夹头上，安装时应使试样和拉力加载轴在一条直线上。试样夹持方法参

见A.90

7.2引伸计安装

安装引伸计时，应小心防止试样发生变形。引伸计应安装在两个夹头间距的中部，调节测量方向与

试样轴向一致。

在安装过程中应注意不要预加载试样。安装完毕后，应进行物理归零。

3

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双引伸计应相对横截面对称安装，使得应变均匀化以抵消弯曲效应。

为保证矩形线获得最佳应力－应变曲线特性，引伸计的安装应保证可在线材的窄边上对称测量

应变。

7.3测试速度

拉伸试验采用位移控制。推荐拉伸机横梁位移速率设置为0.1mm/min~0.5mm/min。

7.4测试

横梁位移速率设定为规定值后，启动拉伸机。将来自引伸计和载荷传感器的数据记录、保存并分别

绘制在坐标纸的横、纵坐标上，如图1a）和图1b）所示。当总应变达到0.3%～0.4%之间时，在横梁位

移速率保持不变的条件下减小30%～40%拉力。然后再次增加拉力直到试样最终断裂。

在任何材料的试验程序开始之前，建议用相似尺寸的已知弹性性能的线材核查全套实验设备（参见

A.14）。

u

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200

E

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0.00.l0.20.3u0.40.50.60.70.8

应变／%

a)应力－应变曲线全视图

图1Cu/Nb3Sn线的应力－应变曲线、弹性模量和0.2%规定塑性延伸强度的定义

4

GB/T38841-2020/IEC61788-19:2013

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LH

)

卸载和重新加载过程放大视图

说明：

u在应变0.3%～0.4%之间采用一阶线性回归计算卸载线U，参见图1a);

A点初始加载线（零偏移线）平移至0.2%。试验获得R,,0.2-0;

C点→一卸载线斜率拟合的曲线U（如Uo.3s）平移至0.2%。计算获得R,,0.2-u;

H点一一线材的最终断裂点。

初始加l载线的斜率通常小于卸载线的斜率。这种情况下，绘制横坐标0.2%处的偏移线以获得复合线0.2%规定塑

性延伸强度(R同2-0），规定塑性延伸强度是由延性材料铜或青铜屈服（A点）产生的。A点由初始加载线获得。

C点由卸载线获得。在0.3%～0.4%之间卸载线斜率线应平移至拟合曲线起始点，可能包含负应变偏移（参见

A.6）。该斜率线平移至0.2%应变处与拟合曲线交叉于C点，定义为复合线的0.2%规定塑性延伸强度＜R，川u）。

图1b）所示卸载区域的原始数据。斜率应由卸载开始的最大应力的99%和90%之间的拟合直线确定（参见8.1)。

图1（续）

8结果计算

8.1弹性模量CE)

弹性模量应采用公式(1）和初始加载线或卸载线的线性部分计算。宜采用合适的数据评估软件对

绘制的数据进行后期分析，软件应能放大应力应变图，特别是预期线性偏离的区域。

E三L:.FIs0L:.A..(1)

式中：

E

弹性模量；

LF－相应的拉力增量；

LALF对应的应变增量；

s。试样原始横截面积。卸载过程从图la）中Au点指示的应变开始，卸载弹性模量CEu）和初

始加载弹性模量CE。）均由同一公式(1）获得。卸载曲线测量建议从Au点开始，Au推荐在

0.3%～0.4%之间。

从卸载曲线测定的弹性模量表示为Eu，可从图la）中的卸载斜率线（直线U在0.3%～0.4%应变

之间）获得，从初始加载线测定的弹性模量表示为E。，可从零偏移线获得。

5

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然而，应当指出初始应力应变曲线的直线段非常窄，参见图A.6。测量具有较低相对标准不确定

度的弹性模量，目前唯一可行的技术是采用均化双引伸计系统，从这个意义上说，本标准中Eu应为代

表性数据，而E。仅当采用均化双引伸计系统测量时才应报告。

测试结束后，应用E。／Eu比值检验测量结果。该比值应满足公式（2）的条件，其中ti=0.3（参见

A.12）。

ti<E。／Eu<l+ti…………（z)

如果不满足该条件，判定测量无效。然后应对照本试验方法，检查试验过程后重新测量。

卸载重新加载过程如下：当加载曲线达到应变AuC0.3%～0.4%）时，开始卸载（rumax卸载开始位置

的应力），降低应力至ru

洼：rum川是最大应力（卸载开始的应力）的99%,r川口是卸载开始时应力的90%，见图1b）。

8.20.2%规定塑性延伸强度CR削.2-0和Rp0.2-U)

复合线的0.2%规定塑性延伸强度应通过应力－应变曲线的卸载／重新加载获初始加载部分获得，如

图1a）和图1b）所示。

复合线卸载条件下的0.2%规定塑性延伸强度R川2-U应由以下方法确定：卸载斜率的线性部分平移

至拟合曲线起点，可包含负应变值。然后，平行线从该应变点移至横坐标0.2%,U线与应力应变曲线

交叉于C点，定义为卸载条件下的0.2%规定塑性延伸强度。根据卸载线［如图1a）中Uo.3s］，确定0.2%

规定塑性延伸强度CR同川）。

复合线的加载条件下的0.2%规定塑性延伸强度R川2-0应由以下方法确定：应力－应变曲线加载部分

在零偏移处的初始线性部分沿应变轴平移0.2%，与应力应变曲线相交于A点，定义为加载条件下的

0.2%规定塑性延伸强度。

每个0.2%规定塑性延伸强度值应由公式（3）计算：

Rpo.2－；二F;/So..(3)

式中：

Rpo.2-;每点的0.2%规定塑性延伸强度，单位为兆帕CMPa);

F;每点的拉力，单位为牛顿（N);

i=O或U。

9测量不确定度

除非另有规定，测量应在283K~308K温度范围内进行。应使用从零到最大载荷之间的相对标

准不确定度小于0.1%的载荷传感器。引伸计的相对标准不确定度应小于0.05%。位移测量传感器［如

LVDTC线性差示变压器）］的相对标准不确定度应小于0.01%。

由十一个代表性研究小组参加的国际循环比对试验确定的弹性模量Eo和Eu以及规定塑性延伸

强度R同2-0和R川2-U的相对标准不确定度值列于表A.l。

根据国际循环比对试验的报告［吨，经鉴定合格后的试验数据，N二17时，E。的相对标准不确定度是

1.4%。相似的，N=l5时，Eu的相对标准不确定度是l.3%;N=l7时，R民刊的相对标准不确定度是

1.5%;N二13时，R川2-U的相对标准不确定度是2.5%。

10测试报告

10.1试样

应报告以下信息：

6

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a)试样制造商；

b)分类和／或标识；

c)批号；

以下信息如果有应报告：

d)原材料和化学成分；

e)线材横截面形状和尺寸；

f)芯丝直径；

g)芯丝数量；

h）铜非铜体积比。

10.2结果

应报告以下力学性能结果：

a)弹性模量CE。和Eu);

b)0.2%规定塑性延伸强度CR川2-0和R同2-U);

以下信息如果有应报告：

c)最大拉伸应力R山ticmax;

d)最大弹性应变A山ticmax;

e)抗拉强度(Rm);

f)断后伸长率CA);

g)函数拟合法确定的0.2%规定塑性延伸强度CR川F）。

10.3测试条件

应报告以下信息：

a)横梁位移速率；

b)夹头间距；

c)温度；

d)试验机制造商和型号；

e)引伸计制造商和型号；

f)夹持方式。

7

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A

附录

（资料性附录）

第1章～第10章的相关附加信息

A.1

总则

本附录给出了影响拉伸测试方法的各种因素的参考信息。

A.2引伸计

A.2.1双引伸计

任何类型的引伸计均可使用。若引伸计系统由两个单引伸计组成，则采用两个信号并由软件平均

化，或者采集经引伸计自身系统平均后的单一信号。

图A.l和图A.2为典型的先进轻型引伸计。

～0.5吕

汩汩

目

的

．

N

－

引伸计标距约12mm（总重约0.5g）。两个引伸计连在一起作为一个单引伸计，可以将两个位移记录电学平均。

轻型超小双联式引伸计

图A.1

8

GB/T38841-2020/IEC61788-19:2013

EE

盯也

N

引伸计标距约26mm（总重约3g）。两个单引伸计，信号由软件进行平均。

图A.2轻型平均双引伸计

A.2.2单引伸计

图A.3为一种单引伸计。日本曾经用这种引伸计进行了Cu/NbTi线室温拉伸的循环比对试验

CRRT）并获得了很好的结果。这些结果被用来建立了IEC617886c3·4l。

单位为毫米

条形弹簧

a)上视图

图A.3带配重和垂直试样轴的引伸计实例

9

GB/T38841-2020/IEC61788-19:2013

单位为毫米

样品