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

Амплитуда деформаций £

и по разрушению (пунктирные).

1 — исходное состояние; 2—5 — кривые с рис. 5.5, а—г соответственно.

гидридов перпендикулярно к напряжениям изгиба направление развития трещин совпадало с направлением ориентации гидри­ дов, и в этом случае отмечалось наибольшее уменьшение сопро­ тивления усталостному разрушению. Такое влияние наводороживания отмечено на холоднокатаных трубах из сплава Z r—■ 2,5% Nb, подвергнутых отжигу при температуре до 500°С, а также на трубах из закаленного, холоднодеформированного и состаренного сплава.

5.3. РАСЧЕТНЫЕ КРИВЫЕ УСТАЛОСТИ СПЛАВОВ ЦИРКОНИЯ

Расчетные кривые усталости для углеродистых, низколегиро­ ванных и аустенитных хромоникелевых сталей в области темпе­ ратуры, в которой ползучесть еще не проявляется, получают введением запасов прочности 2 по деформациям или 20 по чис­ лу циклов к кривой усталости по моменту разрушения в зависи­ мости от того, какой запас является определяющим в соответ­ ствующей точке кривой усталости [34].

На рис. 5.7, а показаны полученные таким образом расчет­ ные кривые усталости для необлученного и облученного цирка- лоя-2 [134]. Кривая для необлученного циркалоя-2 может быть использована для расчетов на прочность при интегральных по­ токах не выше 1019 нейтрон/см2 (£>0,625 Мэе).

Влияние средних деформаций, соответствующих практиче­ ски действующим в деталях амплитудам деформаций и коэффи­ циентам асимметрии, при циклическом нагружении в упруго­ пластической области невелико [158, 183].

При амплитудах деформаций (напряжений), не выходящих за пределы упругости, необходимо учитывать влияние средних напряжений на сопротивление усталостному разрушению. В нор­ мах США на котлы и сосуды высокого давления [34] влияние средних напряжений учитывается только при амплитудах на­ пряжений ниже предела текучести. Расчетные кривые усталости в работе [34] откорректированы в области сга<(То,2 с учетом наибольшего влияния среднего напряжения цикла, достигаемо­ го при максимальном напряжении цикла, равном пределу теку­ чести. Дальнейшего повышения максимального напряжения не происходит вследствие развития пластических деформаций.

Приняв, что уменьшение амплитуды напряжений с ростом среднего напряжения происходит линейно от ее значения при симметричном цикле до нуля при среднем напряжении, равном

112

Корректировка кривой усталости для симметричного цикла с использованием статического предела текучести является не­ достаточной для упрочняющихся материалов, у которых предел

Рис. 5.7. Расчетные кривые усталости циркалоя-2 при температуре 315° С (а) и необлученного сплава

Zr — 2,5% Nb (б).

текучести по диаграмме циклического деформирования о*02 пре­

вышает статический предел текучести сго,2, поскольку возможное среднее напряжение в этом случае увеличивается. Для таких условий корректировка амплитуд деформаций с учетом асиммет­ рии цикла проводится по приведенной формуле, в которой 0О,2 заменяется на aj 2.

На рис. 5.3, б и в показаны кривые усталости циркалоя-2 при симметричном цикле нагружения, а пунктирной линией на-, несены участки кривых усталости, в пределах которых влияние асимметрии цикла напряжений имеет место. Учет асимметрии8

цикла нагружения произведен на основе циклического предела текучести Оц 2.

На рис. 5.3,6 приведены также данные испытаний, в кото­ рых проверялся эффект асимметрии цикла нагружения. Пре­ дельные значения наибольших напряжений цикла, равные пре­ делу текучести, создавали различными способами, при которых либо первоначально задавали образцу среднюю деформацию 1%, либо соответствующая средняя деформация накапливалась от цикла к циклу. Представленные па рис. 5.3,6 данные, а так­ же результаты работы [126] подтверждают возможность при­ менения такого метода учета влияния средних напряжений.

Соответствующая корректировка расчетных кривых уста­ лости циркалоя-2 проведена на рис. 5.7. Участки влияния асим­ метрии цикла по напряжениям показаны пунктирной линией.

Определение долговечности по расчетным кривым, откоррек­ тированным с учетом наибольшего влияния средних напряже­ ний, т. е. когда наибольшее напряжение цикла принимается равным пределу текучести, следует проводить по амплитуде уп­ руго-пластической деформации без учета асимметрии цикла по напряжениям. Приведенные на рис. 5.5 расчетные кривые уста­ лости применимы к сплавам типа циркалой [134].

По результатам испытаний сплава Zr — 2,5% Nb, термооб­ работанного по различным режимам и наводороженного, может быть получена расчетная кривая усталости для оценки допу­ скаемой циклической долговечности при заданных амплитудах деформации, определяемых эксплуатационными нагрузками, или при допускаемой амплитуде деформаций для заданного

этом состоянии обладает наименьшим сопротивлением усталост­ ному разрушению (см. рис. 5.2). Как было показано ранее, наводороживание до 0,02% сплава Zr — 2,5% Nb в указанном состоянии при ориентации гидридов _L не привело к уменьше­ нию разрушающих амплитуд по сравнению с исходным состоя­ нием как по появлению трещин, так и по разрушению.

Из рис. 5.2 и 5.5 следует, что число циклов до полного раз­ рушения образцов превышало число циклов до появления тре­ щин примерно в два раза в области малого числа циклов, а при увеличении долговечности различие между циклами до появления трещин и полного разрушения уменьшалось. Поэто­ му при построении расчетной кривой усталости запас прочности по числу циклов можно принять равным 10 и по деформациям 2, если в качестве исходной использовать кривую усталости по появлению усталостных трещин.

На рис. 5.7, б представлена расчетная кривая усталости 4 сплава Zr — 2,5% Nb для температуры 315°С и симметричного

114

цикла нагружения (сплошная линия), полученная как огибаю­ щая кривых усталости, построенных с учетом запаса 10 по числу циклов и запаса 2 по деформациям. Кроме того, ампли­ туды деформаций с целью учета влияния температуры на со­ противление разрушению умножены на коэффициент 0,82, рав­ ный отношению модулей упругости при 300 и 20° С, которые приняты 0,74-104 и 0,9-104 кгс/мм2 соответственно, как это ре­ комендовано в работе [34]. Расчетные кривые сплавов Zr — 2,5% Nb и циркалоя-2 при симметричном цикле по существу не отличаются.

Пределы прочности и текучести сплава Zr — 2,5% Nb су­ щественно зависят от термообработки сплава. Для сплава Zr — 2,5% Nb, отожженного при 960°С, предел прочности при 300—

новую корректировку кривых усталости по формулам (5.3)

и (5.4).

Из расчета деформаций в свариваемых методом диффузион­ ной сварки переходных соединениях труб из нержавеющей стали и циркониевого сплава, циркониевая часть которых при сварке подвергается отжигу, вызванному нагревом до 900— 980° С, амплитуды деформаций при циклическом изменении тем­ пературы в диапазоне 20—300° С равны 0,25—0,3%. Этим де­ формациям по расчетной кривой усталости соответствуют до­ пускаемые числа циклов 600—1200, определяемые сопротивле­ нием появлению усталостных трещин в части переходного соединения из сплава на основе циркония.

При действии облучения пластичность циркониевых сплавов уменьшается и можно ожидать дальнейшего снижения долго­ вечности при циклическом нагружении. Для получения данных о совместном влиянии наводороживания и облучения необходи­ мо провести дополнительные исследования.

5.4. РАЗВИТИЕ ТРЕЩИН ПРИ ЦИКЛИЧЕСКОМ НАГРУЖЕНИИ

Под действием переменных напряжений в деталях из спла­ вов циркония могут возникать и развиваться усталостные тре­ щины. Переменные напряжения приводят также к росту исход­ ных дефектов. В предыдущих разделах были приведены кривые усталости сплавов циркония в различных состояниях, позволяю­ щие определять с учетом величины амплитуды деформаций число циклов до появления трещин. Располагая данными о за­ кономерностях развития трещин, можно в ряде случаев опреде­ лить число циклов, увеличивающих дефект до заданного пре­

8* 115

дельного размера или ресурс определенной детали. К числу основных факторов, оказывающих влияние на скорость разви­ тия трещин, относятся величина напряжений, асимметрия цикла напряжений и его форма, состояние материала, рабочая среда, температура, частота нагружения.

Скорость развития трещин при циклическом нагружении определяется соотношением [140]

где ЛК — изменение коэффициента интенсивности напряжений, характеризующего распределение напряжений в районе верши­ ны трещины; С, п — постоянные материала, зависящие от усло­ вий испытаний. По данным работы [140], показатель п в сред­ нем равен 4. Коэффициент интенсивности напряжений является функцией действующих номинальных напряжений, длины тре­ щины и геометрических размеров (см. гл. 6). По приведенному соотношению может быть вычислена скорость роста трещин, зависящая при прочих равных условиях только от величины ЛКОтклонение от степенной зависимости между dl/dN и ЛК может наблюдаться в области малых значений ЛК и при ЛК, близких к критическому значению, при достижении которого происходит окончательное разрушение.

Развитие усталостных трещин в циркалое-2 было исследова­ но в работах [101, 102]. В работе 1101] испытания проводили при нагружении одноосным растяжением (пульсирующий цикл) плоских образцов шириной 102—127 мм и толщиной 0,75 и 7,1 мм с односторонним боковым надрезом длиной 12,7 мм. Об­ разцы толщиной 0,75 мм имели наклеп 10%, а образцы толщи­ ной 7,1 мм — 30%. Надрезы на образцах располагали таким образом, что развитие трещин на одних образцах происходило по направлению прокатки, а на других — в поперечном направ­ лении. Наибольшие напряжения о£%кс в брутто-сечепии состав­

ляли от 6,1 до 12,4 кгс/мм2.

В работе [102] образцы имели ширину рабочей части 75— 88 мм и толщину от 1,25 до 3,2 мм. На образцы наносили од­ носторонний или центральный надрез длиной ^—12,7 мм. Основ­ ная часть испытаний была проведена при частоте 3—4 цикл/мин. Наибольшие напряжения в брутто-сечении варьировали в пре­ делах 1,9—10,5 кгс/мм2.

Коэффициент интенсивности напряжений вычисляли по фор­ мулам:

116

чали в области нагружения, характеризовавшейся напряжения­

117

наименьших квадратов, используя зависимость (5.5), были получены значения постоянных С и п (табл. 5.3, строки 1—3). Показатель степени п, как правило, был меньше 4.

сплава приведены в табл. 5.4. Отжиг существенно увеличивает

линией, соответствуют условиям нагружения при наибольшем напряжении цикла не выше сго,2- Испытания были проведены при комнатной температуре на образцах шириной 100 мм

Испытания проведены В. М, Маркочевым, В. Ю, Гольцевым и др-

118

циклическом нагружении. Скорость развития трещины зависит от ориентации трещины по отношению к направлению прокатки. В состоянии поставки скорость развития трещины по направ­ лению прокатки выше, чем перпендикулярно к нему. После от­ жига имеет место обратное соотношение скоростей развития трещины, а именно dl/dN поперек направления прокатки выше, чем по направлению прокатки.

Данные по сплаву Zr — 2,5% Nb и циркалою-2 отличаются по характеру влияния отжига и холодной деформации. Отжиг циркалоя-2, как отмечалось, снижает скорость развития трещин. Скорости развития трещин в рассмотренном интервале значе­ ний Д/С от 50 до 200 кгс/мм3/2 в сплавах Zr — 2,5% Nb и цирка- лое-2 по порядку величины совпадают.

В работе [158] не было обнаружено заметного различия в скорости развития трещин при синусоидальном и пилообразном цикле напряжений. При наклепе до 10% циркалоя-2 не было отмечено влияния ориентации трещины по отношению к направ­ лению прокатки. Влияние наклепа сказывалось лишь при ско­ ростях dl/dN> 2,5-10~2 мм/цикл, в этой же области при доста­ точно высоких Д/С наблюдалось резкое увеличение скорости ро­ ста трещин при испытании образцов в воде. Слабое влияние среды при Д/С<300 кгс/мм3/2 объяснялось тем, что испытания проводились при комнатной температуре на воздухе с относи­ тельной влажностью 20—40%, что было достаточно для дости­ жения состояния насыщения по влиянию водяной среды на скорость роста трещин. Сопоставляя данные по влиянию холод­ ной деформации на 30—35% и ориентации трещин (см. табл. 5,4), можно видеть, что скорость развития трещин по направле­ нию прокатки ниже, чем поперек прокатки, что не согласуется с данными, полученными для сплава Zr — 2,5% Nb.

Повышение температуры испытаний до 130 и 300° С увели­ чивало скорость роста трещин по сравнению с комнатной тем­ пературой. При низких Д/С вследствие различия в показателях п более высокая скорость роста трещин наблюдалась при 300° С, а при высоких Д/С— при температуре 130° С.

На рис. 5.9 приведены полученные данные по циркалою-2 [102], которые характеризуют влияние различных факторов на

119