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

требование независимости, а следовательно, й возможность рас­ сматривать бКр в качестве характеристики материала, выпол­ няется лишь для момента начала движения трещины, но не для условий перехода к нестабильному разрушению. В последнем случае 6кр зависит от типа образца и длины трещины.

Расчет проводится аналогично расчету с использованием ко­ эффициента интенсивности напряжений. Формула для б нахо­ дится аналитически. При большой длине трещины и малой локальной пластической деформации связь между б и К дается выражением

Величина сГо,2 в этой формуле принята в соответствии с моделью Д. С. Дагдейла. Напряжения на границе пластической зоны в действительности превышают предел текучести из-за стеснения поперечных деформаций. Вероятно, это напряжение близко к пределу прочности ав или даже к истинному сопротивлению разрыву при растяжении S1;.

Б. А. Дроздовский и Е. М. Морозов в работе [5], сопостав­ ляя критерии разрушения КкР и бкр, указывают на следующее.

1. Оценка материала по Ккр предполагает идеально упругое разрушение, а по бкр — не предполагает. Для оценки возмож­ ности квазихрупкого разрушения с помощью величины Ккр в упругое решение приходится в виде дополнительных предпо­ ложений вводить член, учитывающий существование области пластических деформаций. Теории критического раскрытия тре­ щины органически присущ учет пластичности у вершины тре­ щины.

2.При расчетах по Ккр с уменьшением длины трещины кри­ тическая нагрузка неограниченно возрастает, и это обстоятель­ ство ограничивает применение критерия Ккр случаями сравни­ тельно больших трещин и малых напряжений. (Расчет по бкр можно одинаково успешно проводить как для больших, так и малых трещин.)

3.При большой длине трещины и малых напряжениях ре­ зультаты расчета по обоим критериям совпадают.

4.Расчет по критерию 6Kp возможен только для случая узкой пластической зоны. Поэтому можно полагать, что критерий Кир сохранит значение расчетной характеристики, а бкр будет каче­

ственной характеристикой для сравнения материалов.

5. Достоверность измерений бкр невелика, что затрудняет использование бкр в качестве расчетной характеристики.

По-видимому, в настоящее время еще мало данных для окончательного решения вопроса о возможности использова­ ния бир в качестве расчетной характеристики.

Под действием переменных нагрузок, коррозии, длительной статической нагрузки трещина в конструкции может расти и

130

достигать критического размера. Период роста трещины, по существу, определяет ресурс конструкции. Этот период можно определить, если заранее известен спектр нагружения и законо­ мерности роста трещины, выраженные через изменение коэф­ фициента интенсивности, при действии того или иного вида нагрузки. Некоторые результаты по развитию трещин при цик­ лическом нагружении в циркониевых сплавах приведены в гл. 5.

Характер развития трещин при статическом нагружении изучен значительно хуже. В работе [150] отмечается, что, по-видимому, существует пороговый коэффициент интенсивности напряжений, ниже которого длительное статическое нагружение не приводит к росту трещины. На это же указывают К. Ф. Тиф­ фани и Дж. Н. Мастерс в работе [25], причем в качестве пороговой величины они называют значение 0,8/Сгкр-

Некоторые авторы [19, 48, 131] считают, что такое пороговое значение существует и для случая одновременного действия длительной статической нагрузки и рабочей среды. Это поро­ говое значение обозначается Kisac-

Здесь перечислены наиболее распространенные в настоящее время подходы к оценке сопротивления хрупкому разрушению, которые использовались различными авторами при анализе цир­ кониевых сплавов.

6.3. КРИТИЧЕСКАЯ ТЕМПЕРАТУРА ХРУПКОСТИ

Обычно в исходном состоянии циркониевые сплавы обладают достаточно высокой пластичностью. Однако при наводороживании и облучении происходит их охрупчивание и изменение ха­ рактеристик сопротивления разрушению.

Влияние наводороживания и облучения на критическую температуру хрупкости циркалоя-2 и сплава Z r— 2,5% Nb рас­ сматривали в работах [57, 59, 193]. Критическую температуру хрупкости определяли по зависимостям ударной вязкости от температуры.

В работе [193] приведены результаты испытаний образцов, вырезанных из стержней, пластин и труб, изготовленных из холоднодеформированного циркалоя-2 и сплава Zr — 2,5% Nb в закаленном, холоднодеформированном и термообработанном состояниях.

Изготовленные образцы помещали в специальные сборки, которые облучали в потоке быстрых нейтронов 4 -1013 ней­ трон/(см2 ■сек) при температуре 300° С. Контрольные сборки выдерживали вне зоны облучения при температуре 300° С в течение такого же времени.

Облученные и контрольные образцы испытывали на ударный изгиб с определением ударной вязкости при различной темпе­ ратуре, Облучение снижало ударную вязкость. Кривые ударной

9* 131

вязкости смещались в область положительной температуры, причем наиболее заметно для термообработанного сплава

Zr — 2,5% Nb.

Повышение содержания водорода увеличивает резкость пере­ хода от максимальных значений ударной вязкости к минималь-

Рис. 6.1. Влияние наводороживания на критическую темпера­ туру хрупкости:

ным и существенно понижает вязкость при температуре ниже

250—300° С.

На рис. 6.1, а, б, в показано изменение критической темпе­ ратуры хрупкости в зависимости от степени наводороживания и облучения. Из приведенных кривых видно, что влияние облу­ чения и наводороживания не аддитивно. Так, при содержании водорода 0,002% облучение увеличивает критическую темпера­ туру хрупкости на 100—200° С, тогда как при содержании водо­

132

рода 0,02% облучение смещает критическую температуру хруп­ кости лишь на 50—120° С. Следовательно, влияние облучения сильно проявляется при низком содержании водорода.

Циркалой-2 имеет лучшие характеристики по значениям ударной вязкости, чем сплав Zr — 2,5% Nb, при малом содер­ жании водорода. Однако при увеличении содержания водорода картина меняется, сплав Zr — 25,% Nb имеет лучшие свойства по сравнению с циркалоем-2. Однако сплав охрупчивается в большей степени под действием облучения. После облучения при высоком содержании водорода как для циркалоя-2, так и

ходится в области 300—350°С. Авторы работы [193] пола­ гают, что существует некото­

Вработах [57, 59] было также подтверждено, что облучение

впотоках до К)20—1021 нейтрон/см2 сдвигает критическую тем­ пературу хрупкости циркониевых сплавов на 50—200° С в зави­ симости от степени наводороживания, что согласуется со зна­ чениями, полученными в работе [193].

Е. Ю. Ривкин, В. Е. Можаров, Б. С. Родченков и В. Н. Тюрин исследовали влияние наводороживания на ударную вязкость различных зон сварных соединений листов толщиной 4 мм и труб с диаметром 88 и стенкой 4 мм, изготовленных из сплава Zr — 2,5% Nb. Сварные соединения были выполнены электрон­ нолучевой сваркой. Образцы размерами 55X11X4 мм вырезали из листа в направлении прокатки. В образце создавался пер­

пендикулярно к направлению прокатки механический надрез, из которого выращивалась усталостная трещина. Общая глу­ бина надреза и усталостной трещины составляла 3 мм. В про­ цессе наводороживания сварные образцы подвергались термо­ обработке при температуре 550° С в течение 10 ч.

Из труб вырезали образцы с размерами 55X8X2 мм, при­ чем образцы были ориентированы по оси трубы. В образцах создавался механический надрез глубиной 2 мм с радиусом

ввершине -—'0,25 мм. Трубы до сварки были термообработаны при температуре 465° С в течение 4 ч. В процессе наводорожи­ вания часть сварных образцов отжигали при температуре 500° С

втечение 24 ч, а часть — при 550° С в течение 24 ч. В качестве

133

критической температуры хрупкости принимали температуру, соответствующую ударной вязкости, равной половине макси­ мального ее значения. Наводороживание образцов проводили в среде газообразного водорода. Надрезы или усталостные тре­ щины наносили в различных зонах сварного соединения: в ме­ талле шва, в зоне сплавления, в основном металле.

На рис. 6.1, г, д, е приведены полученные результаты. Не­ смотря на то, что при испытаниях, результаты которых приве­ дены на рис. 6.1, были использованы различные образцы, отличающиеся состоянием металла и степенью остроты над­ реза, общая тенденция изменения критической температуры была одинакова. Наводороживание снижает ударную вязкость и сдвигает критическую температуру в область положительной температуры.

Ненаводороженный сплав Zr — 2,5% Nb (основной металл) имеет высокую ударную вязкость, значения которой не понижа­ ются вплоть до —180° С (при меньшей температуре испытания не проводились). Наводороживание приводит к значительному смещению критической температуры в область положительной температуры. При этом наводороживание листов до 0,02% уменьшает ударную вязкость в интервале 20—150° С в 3—6 раз, а наводороживание до 0,05% снижает ударную вязкость в тех же пределах уже в более широком интервале температуры 20—250° С. Еще значительнее влияет наводороживание на удар­ ную вязкость металла шва и зоны сплавления сварных соеди­ нений листовых материалов. Здесь при наводороживании до 0,02% ударная вязкость падает от 0,4—0,5 кгс-м/см2, т. е. уменьшается по сравнению с ударной вязкостью ненаводороженного материала в 15—20 раз.

Наводороживание в меньшей степени влияет на сдвиг кри­ тической температуры хрупкости сварных соединений труб по сравнению со сварными соединениями листов. Однако при высо­ ком содержании водорода (0,05%) значения критической тем­ пературы для сварных соединений труб и листов совпадают.

Для металла шва сварных соединений листов при наводоро­ живании до 0,02%, по-видимому, достигается насыщение по смещению критической температуры. Однако наводороживание до 0,05% вызывает при температуре 300°С существенное сни­ жение ударной вязкости. Для остальных зон сварного соедине­ ния ударная вязкость не падает при увеличении содержания водорода при температуре 300° С.

6.4. ТОРМОЖЕНИЕ ТРЕЩИН

Из полученных зависимостей критической температуры хруп­ кости от степени наводороживания и облучения видно, что рабочая температура конструкций из циркониевых сплавов оказывается на уровне критической температуры хрупкости.

134

Поэтому возникает вопрос о сопротивлении развитию трещин из возможных дефектов при температуре ниже критической.

В работе [82] изучались условия торможения трещин в тру­ бах диаметром 130 мм и толщиной стенки 4 мм из циркалоя-2. Отрезки труб длиной 153 мм либо нагружали внутренним дав-

Т а б л и ц а 6.2

Результаты испытаний труб из отожженного циркалоя-2 при комнатной температуре

лением 68 k z c J c m 1 , либо испытывали в ненагружепном состоя­ нии. В продольном направлении трубы создавали поверхностный надрез. В надрезе устанавливался специальный боек. На боек падал груз, энергия падения которого обеспечивала при ком­ натной температуре лишь внедрение бойка в стенку в месте надреза ненаводороженной трубы.

Трубы из отожженного циркалоя-2 наводороживали до 0,01;

135

При комнатной температуре (см. табл. 6.2) торможение тре­ щины может не происходить уже при содержании водорода 0,01%. С повышением содержания водорода трещина разви­ вается даже в ненагруженной давлением трубе лишь за счет удара бойка.

При содержании водорода 0,02% температура торможения

Результаты испытаний образцов из холоднодеформированного циркалоя-2 (содержание водорода 0,02%)

отожженного циркалоя-2 при содержании водорода более 0,02% не отмечается существенного повышения температуры тормо­ жения.

Аналогичные величины температуры торможения трещин по­ лучили Р. С. Ангст и Л. Ф. Дефферинг [35].

136

6.5. ИНИЦИИРОВАНИЕ ТРЕЩИН

Температура торможения трещин в циркониевых наводороженных сплавах достаточно высока, поэтому при эксплуатации конструкций из циркониевых сплавов могут возникать условия, когда начавшая развиваться трещина не сможет затормозиться и приведет к хрупкому разрушению. Поэтому основные усилия исследователей были направлены на изучение условий иницииро­ вания трещин. Требовалось получить соотношения между напря­ жениями, размерами дефектов и температурой эксплуатации, гарантирующими предупреждение развития дефектов до крити­ ческих размеров при однократном нагружении. Прямой ответ

сопротивления разрушению труб реактора SGHWR из холоднодеформированного циркалоя-2. Испытывали отрезки труб диа­ метром 127 мм, толщиной 5,1 мм, в которых электроискровым методом создавали сквозные надрезы различной длины. Трубы нагружали внутренним давлением. При температуре испытаний ниже 150° С надрезы уплотнялись резиновыми пластинками, а при более высокой температуре — специальными алюминиевыми втулками, вставленными внутрь испытуемых труб. С торцов трубы уплотняли специальными головками. Трубы испытывали в исходном состоянии с содержанием водорода 0,02 и 0,04%.

При 300° С ненаводороженные трубы разрушались вязко путем среза по плоскостям скольжения. Наводороженные трубы разрушались квазихрупко путем отрыва с небольшими следами сдвига в изломе.

При 20° С разрушение ненаводороженных труб носило сме­ шанный характер, а при содержании водорода 0,04% — квазихрупкий. При повышении температуры испытаний характер раз­ рушения постепенно менялся. Но при содержании водорода 0,04% и температуре 200°С разрушение все еще было квазихрупким.

Зависимости разрушающих напряжений от длины надреза приведены на рис. 6.2. Видно, что наводороживание особенно сильно понижает сопротивление разрушению холоднодеформированного циркалоя-2 при температуре 20° С. При 300° С влияние наводороживания существенно меньше. Качественно картина влияния водорода совпадает с выявленной при испытаниях на ударную вязкость.

На рис. 6.3 а, б, в (по данным работы [127]) показано влияние температуры на разрушающие напряжения при различ­ ных уровнях наводороживания. Снижение разрушающих напря­ жений с повышением температуры для ненаводороженных труб, по-видимому, связано со снижением предела текучести. При наводороживании разрушающие напряжения увеличиваются с повышением температуры.

Анализируя на основании полученных данных работоспособ­ ность труб реактора SGHWR, Р. В. Никольс и Б. Уоткинс [127]

ления раскрытия трещины). Образцы для определения раскры­ тия трещины имели размеры 46,5x10x4,2 мм с надрезом ши­ риной 0,2 мм и глубиной 2 мм. Три образца были вырезаны из трубы, облученной в течение 11 000 ч при 280° С и нагруженной внутренним давлением. Кольцевые напряжения в трубах со­ ставляли 9,5 кгс/мм2. Интегральный поток нейтронов был 7-1020 см~2, концентрация Н2 в трубах составляла 0,0033%.

138

Кроме того, были испытаны трубы, извлеченные из реактора NPD, с внутренним диаметром 82,5 мм, толщиной стенки 4,32 мм, изготовленные из холоднодеформированного на 17% Циркалоя-2. Эти трубы проработали в реакторе 5 лет при тем­ пературе 252—273° С. Кольцевые напряжения в трубах равня-

Рис. 6.3. Зависимость разрушающих напряже­ ний от температуры при различной длине трещины:

лись 7 кгс/мм2, максимальный интегральный поток достигал 1,2-1021 нейтрон/,см2, концентрация водорода — 0,0027%. В тру­ бах создавали сквозные надрезы электроэрозионной обработкой, а затем нагружали внутренним давлением до разрушения.

Полученные А. Кованом и В. Д. Лангфордом [55] зависи-. мости приведены на рис. 6.4. При 300° С трубы разрушались вязко, а при 20° С разрушение носило хрупкий или квазихрупкий характер.

Облучение ненаводороженных труб реактора «Дуглас-Пойнт» увеличивало разрушающие напряжения по сравнению с необлученными при надрезах одинаковой длины. Этот эффект был более заметен при 300° С, чем при 20° С. Очень слабое влияние облучения при комнатной температуре на разрушающие напря­ жения труб из циркалоя-2 было также отмечено в работе Г35]. Наводороживание до 0,02% заметно уменьшает напряжения разрушения необлученных труб при 20° С, но мало сказывается при температуре 300° С.

10* 139