книги из ГПНТБ / Ривкин, Е. Ю. Прочность сплавов циркония

ч-i; ар — кольцевые напряжения, кгс/мм2-, <р — плотность потока

быстрых нейтронов (£>1 Мэе) нейтрон/{см2-сек) ; Т — темпе­ ратура, °С; k — постоянная.

15 t

10 '%

1 cs

Времяt ч

с0<21 кгс/мм2 для сплава Zr — 2,5% Nb. Для холоднодефор­

90

В общем виде зависимость скорости ползучести от температу­ ры, напряжений и плотности потока быстрых нейтронов запи­ сывается в виде

вел испытания на ползучесть образцов из сплава Zr — 2,5% Nb при одноосном растяжении при температуре 300—400° С и на­ пряжении 25,6—38,7 кгс/мм2. Образцы вырезали из стержня диаметром 12,7 мм, подвергали закалке от 870° С в воду и от­ жигали при температуре 500° С в течение 24 ч.

Подобно В. Фидлерису, П. А. Росс-Россу и С. Е. Ханту Е. Р. Джилберт обнаружил увеличение скорости ползучести под действием облучения при температуре ниже 350° С, но не выявил существенной разницы в скорости ползучести облучав­ шихся и необлучавшихся образцов при более высокой темпе­ ратуре.

91

Е. Р. Джилберт выразил скорость ползучести в условиях облучения е в виде суммы двух составляющих:

где ео — скорость ползучести без облучения, а ег- — изменение скорости ползучести вследствие влияния облучения.

По мнению Е. Р. Джилберта, возможность представления скорости ползучести при облучении в виде суммы двух'незави­

симых составляющих позволяет предположить, что 8г практи­ чески не зависит от напряжений или температуры. Однако это предположение еще не нашло подтверждения и не согласуется с данными других авторов.

При испытаниях на ползучесть непосредственно в реакторе

было отмечено существенное влияние облучения на скорость ползучести, а также показано, что скорость ползучести облучен­ ных образцов, извлеченных из реактора и испытывавшихся во внереакторных условиях, совпадает со скоростью ползучести необлученных образцов. После загрузки образцов в реактор скорость ползучести возрастала и достигала некоторого опре­

испытывавшихся во внереакторных условиях, постепенно умень­ шалась. Скорости ползучести на участке неустановившейся пол­ зучести образцов, испытывавшихся в реакторных и во внере­ акторных условиях, практически совпадали.

П. X. Крине и М. В. Виркарт [109] сообщили об уменьшении кривизны изогнутых балок из отожженного и холоднодеформи­ рованного циркалоя и из сплава Zr — 2,5% Nb — 0,5% Си в закаленном и отожженном состоянии после облучения в вы­ прямленном положении. Испытания были проведены при 310 и 60°С при плотности потока быстрых нейтронов 2• 1014 (см2Х Хсек)~х (Е > \ Мэе). Начальные напряжения в балках составля­ ли 3,5—14 кгс/мм2. Скорость релаксации напряжений в облучав­ шихся образцах оказалась существенно выше, чем в контроль­ ных образцах, испытывавшихся без облучения, причем напря­ жения в холоднодеформированном циркалое релаксировали быстрее, чем в отожженном.

В работе [36] приведены результаты внереакторных и внутриреакторных испытаний и испытаний после облучения в реак­ торе образцов на растяжение при постоянной заданной скорости деформирования. Образцы вырезали из листа толщиной 10 мм (циркалой-4) в направлении прокатки и в поперечном направ­ лении. Перед испытаниями в реакторе образцы автоклавировали

92

при 360° С в течение 3 суток, а затем облучали при темпера*

туре 177—260° С.

При нагружении образцов в реакторе с различными скоро­ стями деформирования были получены кривые деформирования (в пределах до 2%) и определены пределы текучести (оо,г)- Предел текучести мало зависит от скорости нагружения при отсутствии облучения и выше в поперечном направлении, чем в направлении прокатки. Из сравнения результатов внутрйреакторных испытаний и испытаний после облучения в реакторе следует, что при сравнительно высоких скоростях нагружения (ЗЛО-4»*-1) при совпадении интегрального потока облучения пределы текучести в обоих случаях примерно одинаковы. При меньших скоростях нагружения (^1 0 -44_1) пределы текучести при испытаниях в условиях реакторного облучения оказываются существенно ниже, чем после предварительного облучения в реакторе. Это свидетельствует о том, что облучение наиболее заметно сказывается на результатах испытаний при темпера­ туре ~300° С, низких скоростях деформирования и высоких

потоках быстрых нейтронов.

В условиях облучения предел текучести в направлении про­ катки существенно меньше, чем в поперечном направлении при одинаковых скоростях деформирования.

Ф. А. Никольс [129, 130] проанализировал и обобщил дан­ ные о ползучести в реакторных условиях.

Не рассматривая детально предлагаемую им теорию ползу­ чести, укажем на основные выводы, полученные Ф. А. Никольсом. Поведение сплавов он связал с величиной напряжения. Исходя из того, что на ранних стадиях ползучести (малые деформации, высокая скорость деформирования) скорость пол­ зучести в условиях облучения совпадает со скоростью ползу­ чести при испытаниях без облучения при одной и той же тем­ пературе и напряжении, Никольс предложил при низком напря­ жении скорость ползучести выражать в виде суммы скорости ползучести без облучения, е0, слагаемого, учитывающего рост анизотропных сплавов циркония под облучением при напряже­ нии, равном нулю, Аср, и слагаемого, учитывающего увеличение скорости ползучести за счет облучения, Всгф:

зависящие от температуры и свойств материала.

С учетом данных Ф. Д. Аззарто, Е. Р. Джилберта и др. [36, 87] Ф. А. Никольс показал, что в области высоких напряжений облучение практически не влияет на скорость ползучести и она

93

При малом напряжении слагаемое Всир играет определяю^ щую роль, т. е. определяет зависимость скорости ползучести

от облучения, а слагаемое ео мало. При увеличении а величина

во быстро увеличивается и становится преобладающей. Поэтому при высоком напряжении влияние облучения сказывается мало.

Область высоких напряжении

'77=4

I

п=7

Область f~~7i=10

I низких / напря: j жении

Область радиационного роста

п=0

Скорость ползцчести fig с )

Рис. 4.8. Схема зависимости скорости ползучести циркониевых сплавов от напряжения в условиях облучения.

Соотношение для скорости ползучести при средних напряжениях по Ф. А. Никольсу имеет вид

фициент диффузии; р — модуль сдвига; k — константа Больц­ мана; Т — температура; с — константа.

Общая схема зависимости скорости ползучести от величины напряжения, предложенная Ф. А. Никольсом, показана на рис. 4.8., Нико'льс выделяет на ней следующие основные области:

. 1) область радиационного роста (напряжение равно нулю):

2)ориентированное выравнивание вакансий и петель дисло­

каций внедрения (е~сг);

94

Глава пятая

СОПРОТИВЛЕНИЕ РАЗРУШЕНИЮ ПРИ ЦИКЛИЧЕСКОМ НАГРУЖЕН ИИ

Трубы технологических каналов ядерных реакторов, обо­ лочки тепловыделяющих элементов, переходные соединения, связывающие трубы из нержавеющей стали и из сплава цир­ кония, и другие элементы, изготовленные из циркониевых спла­ вов, в процессе эксплуатации подвергаются действию перемен­ ных напряжений, обусловленных изменением температуры теплоносителя, внутреннего давления, внешних сил или вызы­ ваемых потоком теплоносителя.

При оценке прочности деталей из сплавов циркония рассмат­ ривают сопротивление образованию усталостных трещин, а также их развитие при переменном напряжении в связи с влиянием нейтронного облучения, наводороживания, повышен­ ной температуры, рабочей среды.

5.1. КРИВЫЕ УСТАЛОСТИ ПРИ ИЗГИБЕ И РАСТЯЖЕНИИ-СЖАТИИ

Повторные упруго-пластические деформации могут возни­ кать в зонах концентрации напряжений, а также в результате неравномерного распределения температуры или различия ко­ эффициентов теплового расширения материалов соединенных деталей. Механические напряжения вне зон концентрации на­ пряжений не выходят за пределы упругости, поэтому условия малоциклового нагружения элементов конструкции могут быть воспроизведены при испытаниях материалов, проводимых с ци­ клическим изменением заданных деформаций.

Испытания образцов из сплавов Zr — 2,5% Nb и Z r— 1% Nb были проведены при заданных деформациях растяжение—сжа­ тие и частоте от одного до двух циклов в минуту на установке

Образцы нагревали пропусканием электрического тока.

В табл. 5.1 приведены механические свойства испытанных сплавов, полученные на цилиндрических образцах. Микрооб­ разцы имели диаметр рабочей части 1,2 и длину 12 мм, их ис­ пользовали для определения свойств металла труб диаметром 88 мм и вырезали Н продольном направлении труб. Предел

96

Результаты испытаний плоских образцов.

текучести, определённый при 20° С на плоских образцах из труб, оказался несколько ниже полученного на микрообразцах (см. режимы 3, 7, табл. 5.1). Относительное удлинение получено на

плоских образцах с рабочей длиной 11,3yrF, где К — площадь поперечного сечения образца. Свойства металла прутка и тол­ стостенных труб определяли на стандартных образцах диамет­ ром 5 мм.

Варьирование режимов термообработки позволяет изменять структурное состояние сплавов циркония, легированных нио­ бием, характеристики прочности, пластичности, а также корро­ зионное поведение. Для труб технологических каналов из сплава Z r— 2,5% Nb наилучшими режимами термообработки являются

в течение 24 ч [46]. Исследование влияния дополнительного от­ жига при температуре 500, 550, 590° С (см. режимы 4—6, табл. 5.1) на сопротивление малоцикловому разрушению прово­

(см. режимы 7, 8, табл. 5.1). Режимы 9 и 10 (см. табл. 5.1) окончательной термообработки сплава соответствует тепловому циклу диффузионной сварки сплава со сталью Х18Н10Т при изготовлении переходных соединений.

Как следует из данных рис. 5.1, увеличение содержания Nb от 1 до 2,5%, температуры испытаний от 20 до 300° С и соответ­ ственно изменение характеристик прочности и пластичности при статическом нагружении не повлияло на сопротивление обра­ зованию трещин, обнаруживаемых с помощью лупы с увеличе­ нием Х7, и разрушению при нагружении заданными повтор­ ными деформациями по симметричному циклу. Симметричный цикл характеризуется коэффициентом асимметрии г==

= Бмин/вмакс= —1> где бмакс и бмин наибольшая и наименьшая деформации цикла. Экспериментальные точки, соответствующие появлению трещин и разрушению образцов диаметром 6 мм с длиной рабочей части 10 мм из сплавов, обработанных по режимам 1, 2, 10 (см. табл. 5.1), имеют небольшой разброс. Кривые на рис. 5.1 получены обработкой данных методом наи­ меньших квадратов, точки — для сплава Zr — 1% Nb. Данные для сплава Zr — 2,5% Nb нанесены для сравнения.

где Ср, т — постоянные материала, определяемые при обработ­

98

Для кривых усталости по Появлению tpeulHH на испытанных

т = 0,58 -г- 0,6; <7= 0,14 — 0,15.

Рис. 5.1. Результаты испытания сплавов циркония на усталость при нагру­ жении растяжением—сжатием по появлению трещин (1, 5) и по разруше­ нию (2, 3, 4) при различном режиме обработки (см. табл. 5.1):

Л 2 — режим !; 3, 4 — режим 10; 5 — режим 2.

Рассматривая разрушение при статическом нагружении как разрушение после цикла [52] и пренебрегая упругой дефор­ мацией по сравнению с пластической, получаем

Величины ф, вычисленные по указанным выше значениям Ср, равны по появлению трещин 55—75%, а по разрушению 82—86%. Эти величины находятся в интервале эксперименталь­ ных значений ф, приведенных в табл. 5.1 (см. режимы 1, 2, 10).

Температура 300° С является достаточной для развития пол­ зучести в сплавах циркония. С целью выявления влияния пол-