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

модуль упругости, заметной становится и его анизотропия. Для холоднодеформированного на 75—90% иодидного циркония

с

Рис. 2.1. Изменение модуля Юнга в зависимости от кри­ сталлографического направления в a-Zr.

модуль упругости при комнатной температуре составляет (9,0±1,7) • 103 кгс/мм2в направлении прокатки и 8,3 • 103 кгс/мм2 в поперечном направлении [187]. Характер изменения модуля упругости иодидного циркония в зависимости от степени холод­ ной деформации показан на рис. 2.2.

С повышением температуры модуль упругости уменьшается. Данные об изменении модуля упругости в зависимости от тем­ пературы для иодидного циркония приведены в табл. 2.1. Мо­ дуль сдвига и коэффициент Пуассона иодидного циркония при комнатной температуре соответственно равны 3,35 -103 кгс/мм2 и 0,31—0,33. Модуль упругости губчатого циркония мало отли­ чается от модуля иодидного металла и при комнатной темпе­ ратуре составляет (9-f-9,5) • 103 кгс/см2 [11].

Систематические данные о влиянии легирования на упругие свойства циркония отсутствуют. Однако сведения об упругих свойствах промышленных сплавов позволяют считать, что леги­ рование циркония элементами Sn, Fe, Сг, Ni, Си и Мо в соот­ ветствующих пределах приводит к некоторому увеличению мо­ дулей упругости и сдвига.

20

Большинство данных по оценке упругих свойств сплавов циркония получено для сплавов типа циркалой. При комнатной температуре модуль упругости сплавов типа циркалой равен (9,74-10) • 103 кгс/мм2, с повышением температуры до 550° С происходит его монотонное уменьшение до (64- 6,6) -103 кгс/мм2. Модуль сдвига сплава циркалой-2 при комнатной температуре

Деформация, %

разцов из сплавов типа циркалой характерно различие моду­ лей упругости в направлении прокатки и в поперечном направ­ лении. В поперечном направлении величина модуля, как пра­ вило, на 10—15% выше, чем в направлении прокатки.

Данные о характеристиках упругости других сплавов весь­ ма малочисленны. Модуль упругости для сплава ATR [Zr—(0,44- 0,6) % Си—(0,54-0,6) % Мо] несколько выше, чем у сплавов типа циркалой. При комнатной температуре он равен

1Ы 03 кгс/мм2, а при 400° С 7,9-103 кгс/мм2 [187].

Модуль упругости сплавов Zr — 1% Nb и Zr — 2,5% Nb при комнатной температуре мало чем отличается от модуля упруго­ сти чистого циркония, но несколько меньше, чем у сплавов типа циркалой и составляет 9,3-103 и 9,1 -103 кгс/мм2. При тем­ пературах 300—400° С модуль упругости сплавов с ниобием и сплавов типа циркалой практически одинаков. С увеличением содержания ниобия от 5 до 20% модуль упругости циркония в области температуры 20—300° С уменьшается. При комнат­ ной температуре он составляет 8,8 -103; 8,2-103 и 6,1 • 103 кгс/мм2 соответственно для сплавов с 5, 10 и 20% Nb. Для этих спла­ вов, однако, характерно меньшее изменение модуля при нагре­ ве, и в области температуры выше 500° С для сплавов с 5 и 10% Nb его величина заметно выше, чем у сплавов типа циркалой и чистого циркония (соответственно 6,55 -103 и 5,8-103 кгс/мм2 при температуре 900°С). Такой характер изме-

21

Т а б л и ц а 2.1

Модуль упругости циркония и его сплавов

П р и м е ч а н и е . Все данные относятся к сплавам в отожженном состоянии.

нения модуля упругости, по-видимому, обусловлен особенно­ стями фазового состава сплавов.

Значения модулей упругости циркония и его сплавов в ин­

водороживания) на характеристики упругости циркония и его сплавов весьма ограниченны и порой противоречивы. Так, в Ханфорде [16] было установлено, что облучение интегральным потоком тепловых нейтронов 7-1019 нейтрон/см2 увеличивает модуль упругости при комнатной температуре на 4—9% для сплава циркалой-2 и на 2—9% для сплава циркалой-3. Этот эффект наблюдается и для других конструкционных материа­ лов, например, нержавеющей стали типа AISI304, сплава на

упругости сплава циркалой-2 не изменяется. Учитывая извест­ ный характер субструктурных изменений в сплавах циркония при нейтронном облучении и связь их с характеристиками упру­ гости, по-видимому, более закономерно увеличение модуля упругости при облучении. Возможными причинами различного эффекта являются различия в методиках определения.

Исследование влияния наводороживания на упругие свойст­ ва сплавов циркония позволило обнаружить двойственный ха­ рактер эффекта присутствия водорода. В области температуры существования гидридов в наводороженном сплаве Zr—2,5% Nb модуль упругости выше, чем в ненаводороженном (см. табл. 2.1), при этом различие тем больше, чем выше содержа­ ние водорода в сплаве. При повышении температуры происхо­ дит растворение гидридов, что приводит к снижению модуля упругости, и в области температуры существования твердого раствора водорода в сплаве его модуль упругости ниже, чем в ненаводороженном состоянии. Аналогичный характер измене­ ния модуля сдвига в результате наводороживания наблюдался в работе [63] для чистого циркония.

2.2. ТЕПЛОВОЕ РАСШИРЕНИЕ

Цирконий и его сплавы характеризуются заметной анизотро­ пией коэффициентов линейного расширения. В направлении, перпендикулярном к плоскости базиса, истинный коэффициент линейного расширения (ас) в области повышенной температуры примерно в 1,5—2 раза больше, чем в направлении, параллель­ ном плоскости базиса (аа). По данным работ [11, 157], опре­ деленные с помощью рентгенографического метода истинные коэффициенты ас и аа для рекристаллизованного чистого цир­

23

10.3-10~6 град~К

Зависимость коэффициентов линейного расширения от кри­ сталлографической ориентации проявляется и в полуфабрикатах

лоднодеформированный цирконий имеет несколько меньший коэффициент линейного расширения в направлении прокатки, чем отожженный, соответственно 5,1 - 10—6 и 6,0 -10—6 град~х в интервале температуры 200—400° С [30].

При нагревании вплоть до температуры превращения a-Zr^=s =?±P-Zr истинные коэффициенты линейного расширения чи­ стого циркония монотонно возрастают. В процессе этого пре­ вращения происходит резкое уменьшение коэффициента линей­ ного расширения. Наиболее достоверное значение коэффици­ ента линейного расширения для p-Zr, по мнению авторов ра­ боты [11], равно 9,7 • 10~6 град~

Систематические исследования влияния легирования на тер­ мическое расширение циркония не проводились. Оценка коэф­ фициентов, теплового расширения промышленных сплавов цир-

калоя-2 [11], сплавов Z r— 1 % Nb и Zr — 2,5% Nb [14, 16] и

24

взначениях коэффициентов для сплавов, по данным ряда ис­ следователей, скорее всего могут быть обусловлены различием

всостоянии исследованных материалов, главным образом сте­ пенью текстурированности. Средние коэффициенты линейного

Рис. 2.4. Влияние холодной деформации и последую­

расширения некоторых промышленных сплавов в рекристалли-

4,3-10-6 град-1 [3].

Влияние степени холодной деформации и температуры по­ следующего отжига на коэффициент линейного расширения сплава Zr — 2,5% Nb исследовано в работе [14]. Холодная де­ формация приводила к снижению коэффициентов линейного расширения (рис. 2.4). При этом в характере снижения наблю­ дались некоторые особенности. При температуре >400° С ко­ эффициент линейного расширения резко падал, практически независимо от степени предшествующей деформации. Отжиг после холодной деформации приводил к восстановлению моно­

25

тонного характера зависимости истинного коэффициента линей­ ного расширения от температуры и к возрастанию абсолютной величины коэффициента во всем исследованном интервале тем­ пературы (см. рис. 2.4).

Весьма интересные с практической точки зрения результаты получены в работе [162] о влиянии степени наводороживания на коэффициент линейного расширения сплавов циркалой-2, 4 и сплава Zr — 2,5% Nb. Наводороживание обусловливало за­ метное возрастание истинного коэффициента линейного расши­ рения исследуемых сплавов циркония в определенном для каж­ дого содержания водорода интервале температуры, с последую­ щим резким падением его при дальнейшем нагреве. При этом с увеличением содержания водорода этот интервал температу­ ры смещался в область более высокой температуры и возраста­ ло абсолютное значение максимума на кривой «коэффициент линейного расширения — температура».

Типичный вид кривых изменения истинного коэффициента линейного расширения в зависимости от температуры для наводороженного сплава циркалой-4 показан на рис. 2.5 [162]. На­ личие максимумов на кривых « а Ист — температура» является, как правило, следствием протекания фазовых превращений в сплаве. Было сделано предположение, что в данном случае на­ блюдаемые изменения аист в наводороженных сплавах циркония обусловлены превращением у'-гидрида, характеризующегося меньшим коэффициентом линейного расширения, чем у циркония (2,5610~6 град~1), в б-гидрид с коэффициентом линейного рас­ ширения, значительно превышающим таковой для циркония (14,2-Ю-6 град-1). Однако в более поздней работе [22] было установлено, что влияние наводороживания на коэффициент теплового расширения сплава Zr — 2,5% Nb обусловлено про­ цессом растворения гидридов при нагреве, а не фазовыми пре­ вращениями в гидридах.

Авторы работы [22] показали, что увеличение истинного ко­ эффициента линейного расширения сплавов циркония в наводороженном состоянии является только одним из возможных случаев изменения линейного расширения в результате гидри­ рования.

Изменение коэффициента линейного расширения сплавов циркония при наводороживании определяет ориентация гидри­ дов по отношению к направлению измерения коэффициентов, а степень наводороживания определяет лишь величину изменения и температурный интервал его проявления. При ориентации гидридов перпендикулярно к направлению измерения коэффи­ циента наблюдается его снижение в определенном для каждо­ го содержания водорода интервале температуры и тем больше, чем выше содержание Н2 в сплаве (см. рис. 2.5,6). При ориен­ тации гидридов, совпадающей с направлением измерения коэф­ фициента (случай, рассмотренный в работе [162]), наблюдается

26

Рис. 2.5. Влияние степени наводороживания и ориентации гидридов на коэффициент линейного расширения сплавов

увеличение коэффициента линейного расширения в определен­ ном для каждого содержания Н2 интервале температуры (см. рис. 2.5, а). При беспорядочной ориентации гидридов эффект влияния наводороживания зависит от соотношения количества гидридов, ориентированных перпендикулярно и параллельно на­ правлению измерения коэффициента.

Следует отметить, что так как для измерения коэффициентов термического расширения в обеих работах [22, 162] использу­ ется дилатометрический метод, фактически речь идет о коэффи­ циентах изменения линейных размеров, включающих в себя ве­ личины термического расширения и объемные изменения в ре­ зультате фазового превращения (растворения гидридов).

Заметная зависимость изменения линейных размеров спла­ вов циркония от наводороживания может иметь существенное практическое значение, особенно для деталей из сплавов цир­ кония, работающих в жестком контакте с деталями из материа­ лов, отличающихся коэффициентом линейного расширения (на­ пример, соединение цирконий — сталь для труб технологических каналов). В связи с влиянием ориентации гидридов немаловаж­ ным фактором является технология изготовления подобных де­ талей и уровень рабочих напряжений в них, поскольку именно они обусловливают ориентированный характер выделения гидри­ дов. Изменение линейных размеров при растворении (выделе­ нии) гидридов может быть причиной ускорения релаксации на­ пряжений, а также увеличения суммарной деформации в дета­ лях, работающих под нагрузкой при циклическом изменении температуры.

2.3. ТЕПЛОПРОВОДНОСТЬ

Цирконий имеет относительно низкую теплопроводность по сравнению с другими металлами, используемыми в технике, на­ пример Al, Mg, Fe, Ni, Си и др. Для чистого циркония коэффи­ циент теплопроводности при 25 и 300° С соответственно состав­ ляет 0,05 и 0,045 кал/(см • сек • град) [159]. С повышением тем­ пературы коэффициент теплопроводности чистого циркония уменьшается. Такой же характер зависимости теплопроводности от температуры наблюдается для сплавов Zr с Та (0,07— 0,16%) и сплава циркалой-4 [32].

Данные о теплопроводности сплава циркалой-2 весьма раз­ норечивы; так, в работе [11] показано, что коэффициент тепло­ проводности сплава несколько снижается при повышении тем­ пературы, в то время как по данным работ [67, 159] он повы­ шается. Такая противоречивость в данных различных исследова­ телей является, по-видимому, следствием использования раз­ личных методик, а также различия состояния и химического со­ става исследованных материалов.

28