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

работы при 450—500° С достигаются после отпуска при 550— 600° С в течение до 24 ч. Данные о влиянии термообработки на механические свойства сплава валой приведены в табл. 3.8 [106, 107].

3.4. ВЛИЯНИЕ НАВОДОРОЖИВАНИЯ И ОБЛУЧЕНИЯ

Многочисленные исследования, проведенные к настоящему времени в СССР и за рубежом, позволили установить большин­ ство факторов, определяющих влияние наводороживания на свойства циркония и его сплавов. Обнаружено, что степень из­ менения механических свойств циркония и сплавов на его осно­ ве при растяжении зависит от содержания водорода., темпера­ туры испытаний, морфологии гидридов и структурного состоя­ ния. При этом наибольшее влияние, как оказалось, имеют тем­ пература испытаний и морфология гидридов [37, 70, 117, 122, 124, 141, 142, 160, 182].

Оценка механических свойств при 20° С для листов и прут­ ков из циркония и его сплавов показала, что наибольшее изме­ нение прочности и пластичности происходит в результате наво­ дороживания до ~0,08% . Дальнейшее увеличение содержания водорода вплоть до 0,2—0,25% существенного влияния на свой­ ства не оказывает. Степень изменения механических свойств циркониевых сплавов при этом тесно связана с морфологией гидридов, определяемой в данном случае структурным состоя­ нием сплавов [155].

Наводороживание до 0,08% холоднодеформированных листов из сплавов циркония, гидриды в которых имеют вид «строчеч­ ных» скоплений, ориентированных параллельно плоскости про­ катки, обусловливает увеличение пределов текучести и прочно­ сти на 10—40% и уменьшение общего удлинения и поперечного сужения на 40—60%. Аналогичный эффект наблюдается и для отожженных листов, если в результате отжига изменения ори­ ентации гидридов по сравнению с характерной для холоднодеформированного состояния не происходит. Для отожженных ли­ стов, характеризующихся значительной разориентацией гидри­

что, несмотря на различия в степени уменьшения пластичности в результате наводороживания, абсолютный уровень характе­ ристик пластичности отожженных сплавов заметно выше, чем холоднодеформированных.

Наводороженные сплавы циркония в закаленном состоянии характеризуются беспорядочной ориентацией гидридов и умень­ шение их пластичности значительно больше, чем для отожжен­ ных или холоднодеформированных сплавов. Увеличение проч­ ностных характеристик в этом случае заметно меньше. В резуль­ тате наводороживания до 0,08% общее удлинение листов из

50

АН‘ огя/т2 9я V** г

а, в —отожженное состояние: б. г — закаленное (от 1000* С) состояние.

сплавов циркалой-2 и Zr — 2,5% Nb, закаленных от 1000° С, падает до нуля, изменение пределов прочности и текучести при этом не превышает 10% (рис. 3.6)..

Влияние наводороживания на механические свойства труб из сплавов циркония в существенной степени зависит от техно­ логии их производства, что является следствием зависимости морфологии гидридов, главным образом их ориентации, от тех­ нологии производства. Наиболее сильно пластичность изменя­ ется в тех трубах, гидриды в которых ориентированы в ради­ альном или близком к радиальному направлениях, наиболее слабо — при ориентации гидридов по окружности [92, 117, 124, 165].

Исследование влияния технологии изготовления труб на мор­ фологию гидридов обнаружило тесную связь ориентации гидри­ дов с текстурой и позволило выявить наиболее нежелательные технологические операции при изготовлении труб из сплавов циркония, приводящие к радиальной ориентации гидридов при последующем наводороживании [92]. Наиболее вредная с точ­ ки зрения последующего изменения механических свойств ори­ ентация гидридов наблюдается при использовании в технологии производства труб операций обжимки или протяжки, при кото­ рых происходит существенное уменьшение внешнего диаметра труб с небольшим изменением или без изменения толщины стен­ ки (табл. 3.9).

Характерной особенностью при наводороживании сплавов циркония является зависимость ориентации гидридов от напря­ женного состояния в процессе их выделения. Приложение в процессе образования гидридов напряжений растяжения выше определенной критической величины приводит к так называе­ мой переориентации гидридов— выделению гидридов, ориенти­ рованных перпендикулярно к направлению действия напряже­ ний растяжения, характеризующихся наибольшим охрупчивающим эффектом.

Склонность к переориентации гидридов в трубах, а также листах и других полуфабрикатах из сплавов циркония тесно связана с технологией их изготовления [117, 123]. Чтобы избе­ жать переориентации гидридов, уровень рабочих напряжений должен быть ниже критического. По данным работы [1], уро­ вень напряжений, вызывающих переориентацию гидридов в оболочках для твэлов из сплавов циркония с 1 и 2,5% Nb, ра­ вен 0,4—0,5 предела текучести. С увеличением уровня прило­ женных напряжений выше критического количество переориен­ тированных гидридов возрастает, при этом зависимость между количеством переориентированных гидридов и уровнем напря­ жений является в большинстве случаев прямо пропорциональ­ ной. Кроме уровня приложенных напряжений на степень пере­ ориентации гидридов 'существенное влияние оказывает темпера­ тура испытаний (работы). При одном и том же уровне рабочих

52

Т а б л и ц а 3.9.

Влияние технологии изготовления труб на изменение их механических свойств после наводороживания (испытание под действием внутреннего давления при 20 °С)

напряжений степень переориентации выше при более высокой температуре [142].

В работе [156] при исследовании охрупчивающего действия переориентированных гидридов в тонкостенных трубах из спла­ ва циркалой-2 было обнаружено, что наличие более чем 0,005% водорода в виде гидридов, ориентированных перпендикулярно к направлению растяжения, независимо от общего содержания водорода в сплаве приводит к хрупкому разрушению при 20° С. Однако в других работах, проведенных позднее, получены не­ сколько иные данные об охрупчивающем действии переориенти­ рованных гидридов.

Амаевым А. Д. и др. [1] установлено, что наличие радиально ориентированных гидридов в трубках из сплава Z r— l%Nb в количестве, соответствующем содержанию 0,01% водорода, при­ водит к снижению общего удлинения при испытании кольцевых образцов на 80%. Уменьшение общего удлинения и поперечного сужения холоднодеформированных канальных труб из сплава

53

до 0) образцов, вырезанных по окружности из холоднокатаных канальных труб из сплава Zr — 2,5 %Nb, в результате наличия переориентированных гидридов наблюдалось при содержании водорода ^0,02% . Причиной разной степени охрупчивания в результате присутствия переориентированных гидридов является

тате присутствия ориентированных перпендикулярно к направ­ лению растяжения гидридов в сплаве Zr — 2,5% Nb, содержа­ щем 0,05 % водорода, охлажденном после наводороживания со скоростью 100 град/мин, не превышает 70—75%, в то время как после охлаждения со скоростью 10 град/мин падение общего удлинения до 0 наблюдалось уже при содержании водо­ рода 0,02%.

С увеличением температуры испытаний на растяжение охруп­ чивающее действие наводороживания заметно снижается. По данным работ [80, 100, 141], восстановление величины попереч­ ного сужения наводороженного до 0,005—0,02% сплава цирка- лой-2 начинается при температуре 85—150°С и происходит полностью при температуре 180—225° С (рис. 3.7). Полное вос­ становление общего удлинения в наводороженном на 0,05% сплаве циркалой-2 происходит при температуре ~430°С [17]. При 300° С общее удлинение сплава Zr — 2,5 %Nb, содержащего

54

0,02% водорода, практически равно удлинению сплава в исход­ ном состоянии. Различие удлинения наводороженного до 0,05% сплава Zr — 2,5%Nb по сравнению с ненаводороженном не пре­ вышает! 0% при наличии гидридов, ориентированных параллель­ но направлению растяжения, и 20—25% при наличии гидридов, ориентированных перпендикулярно к направлению растяжения

(табл. 3.10).

Т а б л и ц а 3.10

Влияние ориентации и линейных размеров гидридов на механические свойства сплавов

Zr — 2,5 % Nb и циркалой-2

* Ускоренное охлаждение после наводороживания.

** Соотношение протяженности гидридов к диаметру образца 0 ,0 3 .

*** Соотношение протяженности гидридов к диаметру образца 0, 1.

Определение механических свойств сплава Zr — 1%Nb, со­ держащего 0—0,1% водорода, в интервале температуры 20— 600° С показало, что наводороживание значительно увеличи­ вает снижение пластичности, наблюдающееся при 300—500° С, и

55

сдвигает его максимум в сторону более высокой температуры. Полное восстановление пластичности сплава, содержащего 0,1%

температуры характерен и для сплава циркалой-2, однако влия­ ние степени наводороживания на величину «провала» не обна­ ружено [17].

Наличие градиента температуры в стенке оболочки твэлов обусловливает неравномерное распределение гидридов при ее наводороживании и появление гидридного слоя (ободка) на ме­ нее нагретой поверхности. Присутствие гидридного ободка ока­ зывает значительно большее охрупчивающее действие, чем рав­ номерное в объеме металла гидрирование [91].

Выдвинутые в ранних исследованиях предположения, связы­ вающие изменение охрупчивающего действия наводороживания при повышении температуры с предпочтительностью выделения гидридов по плоскости двойникования [185], резким уменьше­ нием количества гидридов [54] и фазовым превращением в гид­ риде [162], не получили экспериментального подтверждения.

Исследование характера развития разрушения наводороженных сплавов циркония при различной температуре привело к разработке механизма, согласно которому водородное охрупчи­ вание сплавов на основе a-Zr является типичным случаем гид­ ридного охрупчивания, связывающего наличие и степень его проявления только с присутствием гидридов [33, 41, 54, 79, 177, 185, 186].

В процессе разрушения наводороженных циркония и его сплавов выделяют три последовательные стадии: образование и развитие трещин в гидридах, происходящее как результат взаи­ модействия гидрид — полоса скольжения и гидрид — двойник, развитие трещин из гидрида в матрицу и развитие трещин в матрице. Образование трещин в гидридах практически не зави­ сит от их ориентации по отношению к направлению растяжения, а развитие их в матрицу является функцией ориентации. Хруп­ кое разрушение наводороженных сплавов циркония при испы­ таниях на растяжение происходит в результате нестабильности трещин, образовавшихся в гидридах и развившихся в металл. Достижение нестабильного состояния трещин зависит от межгидридного расстояния и размера зерна. С повышением темпе­ ратуры испытания уменьшается вероятность образования тре­ щин в гидридах (так как их пластичность заметно возрастает при температуре выше ~60°С ) и нестабильность трещин, пере­ шедших в металл.

Влияние нейтронного облучения на механические свойства циркония и его сплавов по своему характеру мало отличается от влияния на другие конструкционные материалы и заключается в повышении прочностных характеристик и снижении пластично­ сти. Степень изменения механических свойств зависит от дозы

56

и температуры облучения, а также от структурного состояния материала.

Облучение губчатого циркония при 50—60°С приводит к на­ сыщению, оцениваемому по изменению предела текучести, уже после облучения в интегральном потоке (5-^-6) -1019 нейтрон/см2 ( £ > 1 Мэе). Увеличение предела текучести после такого облу­ чения составляет 54% для отожженного металла и только 17— 11% для холоднодеформированного на 10—50%. Уменьшение общего удлинения для отожженного металла при этом состав­ ляет 25—27%, Для холоднодеформированного на 104-20% — 23-^8%, а для холоднодеформированного на 40—50%— прак­ тически отсутствует. Влияние облучения на пластичность менее заметно, чем действие холодной деформации.

Облучение иодидного циркония при 80° С в потоке Ю20 нейтрон!см2 приводит к увеличению предела текучести на 112% и снижению общего удлинения на 56%, однако состояние насыщения при этом не достигается [64]. Сопоставление эффекта

(табл. 3.11).

Отжиг радиационного упрочнения в отожженном и холодно-

ном металле. Полное снятие радиационного упрочнения в отож­ женном цирконии достигается в результате отжига при ~400°С в течение 1 ч, а в холоднодеформированном — при 450—470° С. Облучение способствует ускорению рекристаллизации холодно­ деформированного циркония и понижает температуру ее начала.

Так же как и для чистого циркония, наиболее чувствительной к нейтронному облучению характеристикой для сплавов типа циркалой является предел текучести. Облучение при темпера­ туре до ~100°С полностью рекристаллизованного сплава цир- калой-2 приводит к относительно быстрому достижению со­ стояния насыщения, которое наблюдается уже при интегральном потоке 3-1019 нейтрон/см2 (£>1 Мэе). Увеличение предела теку­ чести при этом составляет 60—65 и 100% соответственно при

ние насыщения для полностью рекристаллизованного состояния может быть достигнуто только после облучения в интегральном потоке (3-^4) -1020 нейтрон/см2. Однако относительный уровень изменения прочностных характеристик при достижении состоя­ ния насыщения в этом случае мало отличается от наблюдающе­ гося после низкотемпературного облучения. В результате облу­ чения при еще более высокой температуре (380—400° С) меха-

57

нические свойства сплава циркалой-2 изменяются незначитель­ но, что связано с заметным отжигом радиационного упрочнения.

формированном и отожженном состояниях во многом аналогич­ но, хотя абсолютный уровень механических свойств заметно различается и тесно связан со степенью предшествующей холод­ ной деформации. Наиболее заметные изменения предела текуче­ сти облученного при 60° С холоднодеформированного на 10— 70% сплава циркалой-2 происходят после облучения в инте­ гральном потоке нейтронов 1020 см~2 и увеличение потока до ~ 1 0 21 нейтрон/см2 существенного влияния не оказывает. При увеличении степени предшествующей деформации от 10 до 70% возрастание предела текучести в результате облучения в одном и том же потоке (1020 нейтрон/см2) снижается с 25—30 до 12%.

58

Облучение приводит практически к полному исчезновению различий в уровне прочностных характеристик в продольном и поперечном направлениях в холоднокатаных листах из цирка- лоя-2. При увеличении температуры облучения до 280° С интег­ ральный поток нейтронов, при котором достигается состояние насыщения для холоднодеформированного на 13% сплава цир- калой-2, несколько возрастает и составляет (34-)Х XI О20 нейтрон/см2 [43, 95].

Исследование влияния облучения при 280° С на механические свойства канальных труб реактора NPR, холоднодеформированных на 18 и 30% с последующим автоклавированием при 425° С

5-1020 нейтрон/см2 предел текучести сплава возрос на 19—20 и 32—33 кгс/см2, а уменьшение общего удлинения составило 9 и 20% соответственно при 300 и 20° С [100].

Определенное влияние на степень изменения механических свойств сплава циркалой-2 может также оказывать и характер напряженного состояния в процессе облучения. Сопоставление прочностных характеристик контрольных образцов из сплава циркалой-2 и образцов, вырезанных из канальных труб реакто­ ра, отработавших некоторое время, показало, что облучение в напряженном состоянии в рабочих условиях приводит к мень­ шему радиационному упрочнению [111, 112].

В результате облучения в потоке 2,3 -1020 нейтрон/см2 при

состоянии увеличение пределов текучести и прочности составило 23—25% при 20° С и 28% при 300° С. Увеличение пределов те­ кучести и прочности после облучения в потоке 1021 нейтрон/см2 при действии напряжения растяжения 9,8 кгс/мм2 не превышало 20 и 7% при 20°С и 20 и 12% при 300°С. Уменьшение радиа­ ционного упрочнения при облучении в напряженном состоянии, как полагают, является следствием более интенсивного отжига радиационных дефектов.

Наблюдающийся характер изменения радиационного упроч­ нения в сплаве циркалой-2 в зависимости от интегрального по­ тока нейтронов, а также достижение состояний насыщения после облучения в интегральном потоке (4-4-5) ■102° нейтрон/см2 при 280° С тесно связан с происходящими при этом субструктурными изменениями в сплаве. Облучение приводит к увеличению коли­ чества скоплений вакансий и межузельных атомов, а также к

дефектов достигает в результате облучения в интегральном по­ токе нейтронов 5 • 1020 см~2 (£ > 1 Мэе) и практически не изме-

59