Лабораторный практикум Конструкционные материалы ядерных реакторов
.pdfМинистерство образования и науки Российской Федерации
НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ЯДЕРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ «МИФИ»
Лабораторный практикум
«КОНСТРУКЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ ЯДЕРНЫХ РЕАКТОРОВ»
Рекомендовано УМО «Ядерные физика и технологии» в качестве учебного пособия
для студентов высших учебныхзаведений
Москва 2012
УДК 621.38 ББК 30.3я73 К65
Лабораторный практикум «Конструкционные материалы ядер-
ных реакторов»./Целищев А.В., Цвелев В.В., Измалков И.Н., Коньков В.Ф, Саблин М.Н. – М.: НИЯУ МИФИ, 2012. – 48 с.
Лабораторный практикум содержит четыре работы по дисциплине «Конструкционные материалы ядерных реакторов». Цель практикума – привить студентам навыки решения задач по определению механических свойств конструкционных материалов, электрофизических свойств оксидных пленок на сплавах циркония, элементного состава фаз материалов атомной техники.
В пособии рассматриваются методы определения характеристик и обработки результатов эксперимента, приборов и образцов, приемов безопасной работы. Для проверки усвоения материала практикума даются контрольные вопросы
Пособие подготовлено в рамках Программы создания и развития НИЯУ МИФИ.
Рецензент доктор техн. наук, С.А. Никулин
ISBN 978-5-7262-1772 |
♥ Национальный исследовательский |
|
ядерный университет «МИФИ», 2012 |
Содержание |
|
Предисловие................................................................................................ |
4 |
Лабораторная работа № 1. Выполнение испытаний |
|
для определения ударной вязкости образцов |
|
конструкционных материалов ............................................................... |
5 |
Лабораторная работа № 2. Выполнение испытаний |
|
для определения характеристик механических свойств |
|
при растяжении в поперечном направлении образцов |
|
от особотонкостенных труб из конструкционных материалов ........ |
20 |
Лабораторная работа № 3. Определение электрофизических |
|
характеристик оксидных пленок, образующихся в процессе |
|
коррозии на сплавах циркония ............................................................ |
31 |
Лабораторная работа № 4. Приготовление экстракционных |
|
реплик для изучения состава частиц фаз при помощи |
|
микрорентгеноспектрального анализатора ........................................ |
40 |
3
Предисловие
В лабораторном практикуме по дисциплине «Конструкционные материалы ядерных реакторов» рассмотрены экспериментальные методики решения задач по определению механических свойств конструкционных материалов при растяжении кольцевых образцов и испытаниях на ударный изгиб, исследованию методом измерения импеданса защитных свойств оксидных пленок на образцах изделий из циркониевых сплавов и элементного состава фаз конструкционных материалов разных классов.
Данный комплекс лабораторных работ предназначен для отработки практических навыков изучения свойств (механических, коррозионных) и микроструктуры конструкционных материалов активных зон ядерных реакторов у студентов, специализирующихся в области физического материаловедения по специальности «Физика металлов». Лабораторный практикум должен научить студентов анализировать полученные данные, представлять их графически и в таблицах, а также составлять отчеты, делать выводы и заключения по экспериментальным данным.
Работы составлены так, чтобы, заранее ознакомившись с их содержанием и объемом и изучив рекомендуемую литературу, студент мог самостоятельно решать поставленные в работе вопросы.
Практикум предназначен для студентов вузов, обучающихся по специальности 150702 направления подготовки 150700 и специализирующихся в области физического материаловедения.
Составители практикума: Цвелев В.В. и Измалков И.Н. (работы 1,2); Коньков В.Ф. и Саблин М.Н. (работа 3), Целищев А.В. (работа 4).
4
Лабораторная работа № 1
ВЫПОЛНЕНИЕ ИСПЫТАНИЙ ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ УДАРНОЙ ВЯЗКОСТИ ОБРАЗЦОВ
КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ
Цель работы. Изучить оборудование и методы испытаний на ударный изгиб. Отработать методику выполнения испытаний для определения ударной вязкости на образцах малоактивируемой феррито-мартенситной стали ЭК-181 с концентратором вида V. Ознакомиться с методикой определения температурного интервала хладноломкости.
Теоретическое введение
Основные статические методы определения механических характеристик, такие как растяжение, сжатие, изгиб позволяют прогнозировать поведение конструкционного материала применительно к реальным нагрузкам и деформациям. Переход от статических нагрузок к ударным, т.е. значительное повышение скорости нагружения материала, вызывает существенное изменение прочностных и пластических характеристик материала.
Однако из многочисленных методов ударных испытаний широкое практическое применение нашел почти исключительно ударный изгиб надрезанного образца (методы Шарпи и Изода) с определением удельной работы разрушения материала (ударной вязкости) KС. Ударная вязкость это отношение работы, затраченной на деформацию и разрушение образца при ударном изгибе (K) к площади поперечного сечения образца в месте надреза (S0):
KС = K S0 . |
(1.1) |
Таким образом, размерностью ударной вязкости является Дж/м2 (кгс м/см2). Ударная вязкость – сложная механическая характеристика. Величина ее зависит и от пластичности и от прочности испытываемого материала. Чем выше пластичность и чем больше напряжения на всем протяжении испытаний, тем большую работу, которую необходимо затратить на пластическую деформацию и разрушение в процессе испытания, т.е. тем больше ударная вязкость. Поэтому испытания на ударную вязкость обычно более чув-
5
ствительны к изменению факторов, влияющих на прочность и пластичность (химический состав, дисперсность структуры, форма зерен и т.д.), чем статические испытания, при которых отдельно оцениваются характеристики прочности и пластичности.
Вцелом эта характеристика, с точки зрения энергетического подхода к испытаниям, включает общую работу разрушения, затраченную на зарождение и распространение трещины, на формирование пластической зоны в вершине трещины и на общую пластическую деформацию всего образца в зоне разрушения в вязком состоянии. Из температурных зависимостей ударной вязкости, определяют температуру вязко-хрупкого перехода.
Воснову метода Шарпи положен процесс разрушения испытываемого призматического образца с концентратором напряжений (надрезом), свободно лежащего на двух опорах, приложенной посередине нагрузкой падающего маятника (рис. 1.1). При испытаниях надрез располагают на растягиваемой стороне.
Рис. 1.1. Схема испытания по методу Шарпи
В отличие от испытания по Шарпи сущность метода Изода заключается в разрушении консольно-закрепленного образца с надрезом ударом маятника поперек образца на определенном расстоянии от места закрепления (рис. 1.2).
Из-за того, что одним из основных назначений ударных испытаний является выявление склонности материала к хрупкому разрушению, при этих испытаниях стремятся к такому способу приложения нагрузки, при котором растягивающие напряжения и деформации были бы достаточно велики.
Изгиб при ударных испытаниях имеет ряд методических преимуществ: простое и надежное измерение работы и большая про-
6
стота проведения испытаний, особенно при высоких и низких температурах, в том числе и на облученных образцах в условиях «горячих камер».
Сравнение материалов по ударной вязкости или температуре хруп- ко-вязкого перехода позволяет выявлять наиболее благоприятный вариант по отношению к условиям эксплуатации.
Для исследования склонности металла к хладноломкости и опре-
деления температуры хрупко-вязкого перехода проводят серию испытаний на ударную вязкость при пониженных температурах. Температура резкого уменьшения ударной вязкости называется порогом хладноломкости (рис. 1.3).
Часто переход из вязкого состояния в хрупкое, сопровождающийся значительным уменьшением ударной вязкости, происходит в определенном интервале температур. В таких случаях говорят о верхнем и нижнем пороге хладноломкости, т.е. о температуре начала и конца этого перехода. Иногда в таких случаях за критерий склонности металла к хладноломкости принимают условный порог хладноломкости, т.е. температуру, при
которой ударная вязкость получается не ниже определенной величины. Например, по нормам Международного института сварки за критическую температуру принимают температуру, соответствующую ударной вязкости 3,5·105 Дж/м2; в США за критическую принимают температуру, соответствующую ударной вязкости от 2,1 до 4,1·105 Дж/м2 (в зависимости от ответственности конструкций, для изготовления которых предназначается исследуемый металл).
При переходе из вязкого состояния в хрупкое не только резко уменьшается ударная вязкость, но и меняется характер поверхности излома. Вязкий излом – матовый, волокнистый, со следами
7
пластической деформации. Хрупкий излом имеет «кристаллический» характер без видимых следов пластической деформации. В связи с этим существует способ определения условного порога хладноломкости как температуры, при которой на поверхности излома наблюдается определенная доля хрупкой составляющей излома (например, 10, 50, 90 %). Чем больше принят допуск на количество хрупкой составляющей на поверхности излома, тем ниже будет условный порог хладноломкости. При допуске 10 % эта температура будет очевидно близка к верхнему порогу хладноломкости, а при допуске 90 % – к нижнему.
Оценка склонности сталей к хрупкому разрушению в большинстве случаев инженерной практики проводится по результатам испытаний на ударный изгиб образцов с надрезом вида U (образец Менаже) и образцов острым надрезом вида V (DVM). В некоторых случаях при испытаниях металлов и сплавов для особо ответственных конструкций, применяются образцы с концентратором вида Т. Концентратор вида Т (усталостная трещина) получают в вершине начального надреза при плоском циклическом изгибе образца при этом число циклов нагружения N не должно быть менее 3000. Способ получения начального концентратора может быть любым.
Различные типы образцов по ГОСТ 9454-78 показаны на рис. 1.4
и 1.5.
Рис. 1.4. Эскизы образцов с концентраторами вида U (а) и V(б)
8
Рис. 1.5. Эскизы образцов с концентратором вида Т
Области применения образцов с различными концентраторами приведены в табл. 1.1.
|
|
Таблица 1.1 |
|
Области применения образцов |
|
|
|
|
Вид |
Тип |
Область применения |
концентратора |
образца |
|
U |
1-10 |
При выборе, приемо-сдаточных испытаниях метал- |
|
|
лов и сплавов |
|
|
|
V |
11-14 |
При выборе, приемо-сдаточных испытаниях метал- |
|
|
лов и сплавов для конструкций повышенной степе- |
|
|
ни надежности (летательные аппараты, транспорт- |
|
|
ные средства, трубопроводы, сосуды давления и |
|
|
т.п.) |
Т |
15-19 |
При выборе и приемочном контроле металлов и |
|
|
сплавов для особо ответственных конструкций, для |
|
|
эксплуатации которых оценка сопротивления раз- |
|
|
витию трещины имеет первостепенное значение. |
|
|
При исследовании причин разрушения ответствен- |
|
|
ных конструкций |
|
|
9 |
Таблица 1.2
Форма и размеры образцов для испытаний на ударный изгиб по ГОСТ 9454-78
Вид концентратора |
Радиус концентратора R, мм |
Тип образца |
Длина L (пред. откл. ±0,6), мм |
Ширина В, мм |
Высота Н (пред. откл. ±0,1), мм |
|
|
1 |
|
10 ± 0,10 |
10 |
|
|
2 |
|
7,5 ± 0,10 |
|
|
|
3 |
|
5 ± 0,05 |
|
|
|
4 |
|
2 ± 0,05 |
8 |
U |
1 ± |
5 |
55 |
10 ± 0,10 |
|
0,07 |
6 |
7,5 ± 0,10 |
|
||
|
|
|
|||
|
|
7 |
|
5 ± 0,05 |
10 |
|
|
8 |
|
10 ± 0,10 |
|
|
|
|
|
||
|
|
9 |
|
7,5 ± 0,10 |
|
|
|
10 |
|
5 ± 0,05 |
|
|
|
11 |
|
10 ± 0,10 |
10 |
V |
0,25 ± |
12 |
55 |
7,5 ± 0,10 |
|
0,025 |
13 |
5 ± 0,05 |
|
||
|
|
|
|||
|
|
14 |
|
2 ±0,05 |
8 |
|
|
15 |
|
10 ± 0,10 |
11 |
|
|
16 |
|
7,5 ± 0,10 |
|
Т |
Тре- |
17 |
55 |
5 ±0,05 |
|
щина |
18 |
|
2 ± 0,05 |
9 |
|
|
|
||||
|
|
19 |
|
|
|
|
|
140 |
25 ± 0,10 |
25 |
Глубина |
пред. |
мм |
надрезаh |
.откл±0,1), |
|
|
( |
|
|
1 |
|
-
-
1,5
10,0
Глубинаконцентратораh (пред. ±0,6),.отклмм |
Высота рабочего сеченияH |
|
мм , |
|
1 |
|
|
|
8 ± 0,1 |
|
|
|
6 ± 0,1 |
-7 ± 0,1
5 ± 0,1
-8 ± 0,05
6 ± 0,05
3,0 -
12,0
Для испытаний на ударную вязкость наибольшее распространение получили маятниковые копры. Принципиальная схема испытаний приведена на рис. 1.6.
Основной частью копра является массивный маятник, который может качаться на оси. В поднятом положении маятник обладает определенным запасом энергии (в зависимости от высоты подъема). При падении маятник, проходя через вертикальное положение, ударяет по образцу и разрушает его, на что затрачивается часть энергии маятника. Оставшаяся часть энергии затрачивается на подъем маят-
10