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

Т а б л и ц а 3.2

Влияние технологии изготовления на механические свойства труб и листов из сплавов циркония

Коэффициенты текстурированности (см. рис. 3.4.).

к базисной плоскости перпендикулярна к направлению действия приложенного напряжения, деформация осуществляется только путем скольжения. Когда направление приложенного напряже­ ния параллельно нормали к базисной плоскости, деформация происходит только двойникованием. При наклоне нормали к ба­ зисной плоскости под углом 35—40° к направлению растяже­ ния деформация может осуществляться как скольжением, так и двойникованием. Поскольку критическое напряжение сдвига заметно меньше, чем критическое напряжение двойникования, при наличии определенного типа текстуры обнаруживается раз­ личие механических свойств по различным направлениям.

Наличие текстуры существенно влияет на развитие дефор­ мации в шейке и характер разрушения в целом. Учитывая пред­ почтительность деформации путем скольжения или двойнико­ вания, в зависимости от текстуры можно предсказать вид и фор­ му шейки при испытаниях на растяжение.

Механические свойства полуфабрикатов из циркония и его сплавов зависят не только от холодной деформации в процессе их изготовления, но и от термической обработки, как промежу­ точной, так и окончательной. Наиболее широко используемыми видами термической обработки сплавов циркония являются отжиг и закалка с последующим старением. Выбор вида терми­ ческой обработки и ее конкретный режим определяются типом сплава и комплексом требований, предъявляемых к изготавли­ ваемым изделиям.

Отжиг холоднодеформированного циркония обусловливает ухудшение прочностных свойств и повышение пластичности. Степень изменения механических свойств холоднодеформирован­ ного циркония в результате отжига тесно связана с протека­ нием процесса рекристаллизации и определяется его температу­ рой, длительностью и степенью предшествующей холодной де­ формации.

Влияние степени предшествующей холодной деформации на механические свойства проявляется, главным образом, при от­ жиге в интервале температуры протекания рекристаллизации и при более низкой температуре. Для иодидного циркония температура начала и конца рекристаллизации составляет со­ ответственно 585 и 650° С после холодной деформации на 10% и 440 и 570° С после деформации на 95% [12].

Характер изменения механических свойств в результате от­ жига для холоднодеформированных сплавов типа циркалой и для чистого циркония практически аналогичен. Интенсивное снижение предела текучести труб и листов из сплава циркалой-2 начинается после отжига в течение одного часа при 300—330° С после предшествующей деформации на 13%, при 400° С после деформации на 25—40% и при 450° С после деформации на 80% [64, 114]. Снижение твёрдости на 80% достигается в результа­ те отжига в течение 15 мин при 575—580° и в течение 64 ч при

41

520—525° С. Полностью рекристаллизованное состояние дости­ гается после отжига при 550° С в течение ~ 4 ч. Механические свойства труб и листов из сплавов типа циркалой, отожженных по различным режимам, представлены в табл. 3.3.

Для оболочек твэлов сплавы типа циркалой в большинстве

нальных труб эти сплавы, как правило, применяют в холоднодеформированном состоянии с последующим автоклавирова­ нием при 400° С в течение 72 ч, во время которого происходит снятие макронапряжений и незначительное снижение (на 2— 4 кгс/см2) прочностных характеристик.

Закалка с последующим старением значительно не улучша­ ет прочностные характеристики сплавов типа циркалой по срав­ нению с деформированным и частично или полностью рекристаллизованным состояниями (см. табл. 3.3). В связи с этим до на­ стоящего времени закалка с последующим старением для спла­ вов типа циркалой практически не использовалась. Однако, как показали недавние исследования, закалка из p-области перед холодной деформацией повышает коррозионную стойкость спла­ вов этого типа (вследствие более равномерного распределения частиц второй фазы в матрице) [133].

По данным работы [4], полностью рекристаллизованное со­ стояние сплава оженит-0,5 может быть достигнуто в результате отжига при 700° С в течение 30 мин. Предел текучести и общее удлинение при 20° С сплава в рекристаллизованном состоянии составляют соответственно 14 кгс/мм2 и 40%. Длительный отжиг в течение 2000 ч при температуре 350° С холоднодеформированного на 10% сплава оженит-0,5 приводит к частичному сниже­ нию прочности (на ~20%) и повышению пластичности (на ~30% ). Наиболее оптимальные прочностные характеристики и пластичность для сплава оженит-0,5, использующегося для из­ готовления канальных труб и оболочек твэлов, наблюдаются после холодной деформации на 20% [47]. Отжиг в течение 24 ч при температуре вплоть до 450—500° С мало изменяет его пла­ стичность, однако прочностные характеристики при этом снижа­ ются на 15—30%. Более высокотемпературный отжиг обуслов­ ливает резкое снижение прочности и повышение пластичности. Полностью рекристаллизованное состояние в этом случае до­ стигается после отжига при температуре 580—600° С. Механиче­ ские свойства канальных труб и труб для оболочек твэлов из

43

*Испытание внутренним давлением.

исплавов типа циркалой. Отжиг холоднодеформированного сплава в течение 1 ч при температуре 300—500° С приводит к повышению прочностных характеристик. Более высокотемпера­ турный отжиг вызывает разупрочнение. По данным работы [49],

разупрочнение сплава в результате отжига начинается при тем­ пературе 500° С после выдержки более 15 ч, при 450° С после выдержки в течение ~200 ч. Результаты рентгеноструктурного

холоднодеформированного сплава Z r—-2,5% Nb, является зави­

сплава Zr — 2,5% Nb могут быть существенно повышены закал­ кой с последующим старением. Упрочнение, достигаемое в ре­ зультате использования этого вида термической обработки, имеет достаточно сложную природу и величина его зависит от условий как закалки (температуры и скорости охлаждения),

так и старения [188, 191, 192].

Максимальный эффект закалки наблюдается при проведении ее от температуры 760—780° С и связан с появлением в струк­

44

туре сплава co-фазы. При этом прочностные характерйстйк'й улучшаются, но резко падает пластичность. Эффект закалки от температуры >800° С тем выше, чем больше скорость охлажде­ ния, и обусловлен особенностями протекания мартенситного превращения. Закалка от температуры 1000° С со скоростью 2000 град/сек обеспечивает получение наиболее высоких проч­ ностных характеристик. Пределы текучести и прочности при

Рис. 3.5. Анизотропия изменения предела те­ кучести при старении холоднодеформироваиного сплава Zr—2,5% Nb:

1 — направление, перпендикулярное к плоскости про­ катки; 2 — поперек направлению прокатки; 3 — вдоль направления прокатки.

20° С после такой закалки составляют 72—74 и 86—88 кгс/мм2 соответственно, а общее удлинение—3—4%, что связывают с образованием структуры двойникованного мартенсита. При бо­ лее низкой скорости охлаждения (400—100 град/сек) достигае­ мое упрочнение несколько меньше. Пределы текучести и проч­ ности в этом случае составляют 65—68 и 80—82 кгс/мм2, а об­ щее удлинение — 5—7% •

Эффект старения у закаленного сплава Zr — 2,5% Nb тесно связан с температурой предшествующей закалки. После закалки

превращением p-Zr->co-Zr, при более высокой температуре (^400° С) наблюдается разупрочнение сплава. После закалки от температуры ^820° С максимальное упрочнение достигается в результате старения при температуре 400—500° С, в процессе которого происходит распад пересыщенного твердого раствора

45

800° С в течение ~24 ч, при 450° С в течение 160 ч, а при

400° С в течение 1000 ч [191].

Проведение холодной деформации после закалки перед ста­ рением обеспечивает получение более высоких прочностных ха­ рактеристик по сравнению с достигаемыми только после закал­ ки и старения. При этом оптимальная температура старения сдвигается в сторону более низкой температуры (~480 —500° С) [115].

Для канальных труб ядерных реакторов, работающих при температуре до ~300° С, сплав Zr — 2,5% Nb может быть ис­ пользован в холоднодеформированном, отожженном в а-области и закаленном с последующим старением состояниях. Оптималь­ ным вариантом закалки и старения сплава при использовании его в качестве материала канальных труб является закалка от 840—880° С, (а+р)-область, с последующим старением при 500° С в течение 6—24 ч [68]. Закалку от более высокой темпе­ ратуры, ^900° С ((3-область), практически не используют из-за резкого охрупчивания сплава при облучении. Механические свойства листов и канальных труб из сплава Zr — 2,5% Nb в различном структурном состоянии приведены в табл. 3.5.

Увеличение прочности сплава Zr — 2,5% Nb может быть по­ лучено дополнительным легированием кислородом (до 0,1— 0,15%), медью (0,5—0,6%) или оловом. Характер зависимости механических свойств этих сплавов от структурного состояния

2,5% Nb'— 0,5% Си и Zr — 3% N b— 1% Sn после термической обработки в различных режимах представлены в табл. 3.6 [68, 156].

Вместе с тем абсолютные значения прочности и пластичности у этих сплавов могут заметно отличаться от наблюдающихся

400° С обусловливает упрочнение, однако максимального значе­ ния оно достигает уже через 3—6 ч и далее при выдержке вплоть до 24 ч не изменяется. Старение при температуре ^500° С приводит к разупрочнению [68].

Изменение механических свойств сплава Zr — 1% Nb в ре­ зультате отжига после холодной деформации во многом анало­ гично сплаву Zr — 2,5% Nb. Отжиг при температуре 450 и 500° С в течение 2—3 ч обусловливает некоторое повышение предела текучести (на 2—5 кгс/мм2), происходящее в результате старе­ ния [3]. Отжиг при 500° С в течение 5—10 ч относительно мало изменяет прочностные характеристики и пластичность.

Полностью рекристаллизованное состояние холоднодеформированного сплава достигается в результате отжига при темпера-

46

*Поперечные образцы.

**Автоклавирование при 400° С в течение 72 ч.

Таблица S.6

Влияние термической обработки на механические сзойстза листов из сплавов Zr—2,5%Nb—0,5%Cu и Zr—3%Nb—l%Sn

Влияние термической обработки на механические сзойстза спшза

Zr— 1% Nb

* Скорость охлаждения в реторте 110—140, с печью 1—4, на воздухе 9 1 О2, в воде

3,6-10* град)мин .