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

X 1020 нейтрон/см2 вызывает увеличение предела текучести сплава при 20° С в 2,5 раза (см. табл. 3.14).

Совместное влияние наводороживания и облучения на меха­ нические свойства сплавов циркония изучались в работах [1, 73, 80]. Однако проведенные исследования весьма ограниченны и полученные результаты не дают возможности в полном объе­ ме представить характер изменения механических свойств в зависимости от содержания водорода, ориентации гидридов и особенно дозы облучения. Установлено, что эффект совместного влияния наводороживания и облучения не является суммарным

виде гидридов, ориентированных параллельно направлению ра­ стяжения, влияние облучения при 280—300° С в потоке 1021 и 1020 нейтрон!см2 (соответственно для циркалоя-2 и сплавов с ниобием) на прочностные свойства практически не зависело от степени наводороживания и заметно превышало эффект наво­ дороживания. Влияние наводороживания практически одина­ ково в облученном и необлученном состояниях и незначительно по абсолютной величине (табл. 3.15).

Изменение прочностных свойств сплавов в результате сов­ местного действия наводороживания и облучения превышало из­ менение свойств вследствие наводороживания или облучения. Изменение пластичности этих сплавов в этом случае определя­ лось, главным образом, действием облучения.

чения (см. табл. 3.15).

При 20° С превалирующим оказывалось действие наводоро­ живания. В результате наводороживания до 0,02% и облучения в потоке 4,3-1019 нейтрон/см2 предел прочности при 20°С холод­ нодеформированного сплава циркалой-2 уменьшился на 29%. При 300° С влияние наводороживания на прочностные характе­ ристики практически отсутствовало. В результате наводорожи­ вания до 0,02% и облучения в потоке 4,3-1019 нейтрон/см2 про­ исходило увеличение предела прочности на 22%,

72

Глава четвертая

ПОЛЗУЧЕСТЬ ЦИРКОНИЕВЫХ СПЛАВОВ

В отличие от сталей ползучесть циркониевых сплавов наблю­ дается уже при умеренно повышенной температуре (250— 350°С). Проблема ползучести особенно актуальна для труб технологических каналов. В результате ползучести может про­ изойти заклинивание каналов в графитовой кладке уран-графи- товых реакторов и изменение проходного сечения и теплофизи­ ческих характеристик каналов, а при предельных деформациях может наступить разрушение каналов.

Ползучесть циркониевых сплавов изучалась как на необлученных материалах, так и в условиях облучения.

4.1. ПОЛЗУЧЕСТЬ НЕОБЛУЧЕННЫХ СПЛАВОВ

Основные закономерности ползучести циркониевых сплавов во внереакторных условиях в настоящее время достаточно де­ тально изучены. Данные об изотермической ползучести цирка- лоя-2 (листы и трубы из отожженного и холоднодеформированного на 15% сплава) при температурах 288, 343 и 400°С при­ ведены в работе [137]. Характерные зависимости, полученные в этой работе, показаны на рис. 4.1.

Кривые ползучести имеют три характерных участка, соот­ ветствующие стадии неустановившейся ползучести, стадии уста­ новившейся ползучести и стадии, предшествующей разрушению.

Деформация на участке неустановившейся ползучести может достигать значений порядка 1 % и выше, особенно для отожжен­ ного циркалоя-2 даже при сравнительно небольших уровнях напряжений. Соответствующая деформация у холоднодеформированного циркалоя-2 существенно меньше.

В строгом смысле стадия установившейся ползучести у циркалоя-2 отсутствует. Скорость ползучести с увеличением длительности испытаний уменьшается и начинает возрастать лишь при переходе на стадию ползучести перед разрушением. Время до перехода к участку ползучести, предшествующему разрушению, зависит от уровня напряжения и температуры. Так, из данных работы [137] следует, что у отожженного циркалоя-2 при температуре 288° С переход к стадии, предшествующей раз­

75

рушению, не достигается после 10 000 ч испытаний даже при напряжениях порядка 16 кгс/мм2, тогда как при температуре

лить стадию установившейся ползучести.

Сопротивление ползучести холоднодеформированного цир- калоя-2 существенно выше, чем отожженного циркалоя-2. Пере­ ход к стадии, предшествующей разрушению, при напряжении 10,5 кгс/мм2 и температуре 343° С не отмечается после 15000 ч испытаний. После 2500 ч испытаний этот переход происходит при напряжении порядка 17,5 кгс/мм2. Как правило, при темпе­ ратуре 288—400° С перед переходом к стадии, предшествующей разрушению, у холоднообработанного циркалоя-2 общая дефор­ мация ползучести достигает не менее 1%.

76

Скорость ползучести циркалоя-2 существенно зависит от тем­ пературы. Например, при изменении температуры от 288 до 343° С скорость ползучести отожженного циркалоя-2 при равных Напряжениях и времени испытаний увеличивается почти на по­ рядок, а при повышении температуры до 400° С — на два поряд­ ка. Скорость ползучести холоднодеформированного циркалоя-2

деформированного циркалоя-2. Образцы вырезались как в на­ правлении оси труб, так и в поперечном направлении. Напря­ жения при испытаниях изменялись от 11,5 до 33 кгс/мм2.

Было установлено, что ползучесть труб в поперечном на­ правлении меньше ползучести в осевом направлении при рав­ ных напряжениях, что связано с текстурой материала при из­ готовлении труб. По результатам испытаний было предложено уравнение, описывающее процесс ползучести труб из холодно­ деформированного циркалоя-2:

В работе i[59] приведены данные о влиянии температурного режима испытания и наводороживания на ползучесть сплава

Zr — 2,5%Nb и циркалоя-2.

При изотермическом нагружении при 300° С образцы выдер­ живали под напряжением в процессе всего цикла испытаний. При неизотермических испытаниях образцы нагружали при тем­ пературе 300°С примерно в течение. 1000 ч и напряжении 17,6 кгс/мм2, после чего дважды в сутки в течение последующих 1000 ч температуру снижали с 300 до 250° С и вновь поднимали

образцов нагрузку уменьшали до нуля. В процессе испытаний регистрировались кривые ползучести.

В изотермических условиях наводороживание практически не влияет на скорость ползучести сплава Zr — 2,5%Nb, но суще­ ственно увеличивает скорость ползучести циркалоя-2. Также как и для циркалоя-2, отжиг увеличивает скорость ползучести ненаводороженного сплава Zr — 2,5 %Nb. Циклическое изменение температуры при испытаниях образцов из ненаводороженного отожженного или холоднодеформированного сплава Zr — 2,5%Nb несколько понижает скорость ползучести, тогда как у наводороженных образцов в этих условиях скорость ползучести за­ метно увеличивается.

Циклическое изменение температуры уменьшает скорость ползучести холоднодеформированного циркалоя-2 как наводо-

77

решённого, так и нёнаводороженного. Однако для наводороженного циркалоя-2 характерно резкое увеличение деформации ползучести в первый момент после циклического изменения тем­ пературы. В результате общая деформация ползучести наводороженного циркалоя-2 примерно вдвое превышает общую деформацию ненаводороженного. Циклическое изменение на­ грузки одновременно с изменением температуры практически не влияло на ползучесть.

Наводороживание приводит к увеличению скорости ползуче­ сти сплавов циркония в условиях циклических испытаний. При изотермических испытаниях влияние наводороживания на со­ противление ползучести зависит от состояния сплава: для отож­ женного состояния характерно некоторое повышение сопротив­ ления ползучести в результате наводороживания, в то время как

0,015%, водород находится как в виде гидридов, так и в твер­ дом растворе. Водород, находящийся в твердом растворе, рас­ пределяется неравномерно, образуя скопления вблизи субкри­ сталлических дефектов, главным образом, дислокаций, и в про­ цессе испытаний под нагрузкой может оказывать тормозящее действие на их движение. В то же время наличие гидридов, служащих источниками дислокаций, обусловливает образование новых дислокаций и тем самым облегчает развитие деформации. Учитывая это, можно предположить, что для наводороженного отожженного сплава влияние водорода, находящегося в твер­ дом растворе, в изотермических условиях испытаний оказы­ вается превалирующим и наблюдается некоторое увеличение сопротивления ползучести. Преимущественное выделение гидри­ дов по границам зерен, характерное для этого состояния, также способствует увеличению сопротивления ползучести.

Для холоднодеформированного состояния превалирующим оказывается действие гидридов, которые в этом случае выделя­ ются в виде скоплений пластин внутри зерен. При циклических испытаниях во время охлаждения происходит выделение гидри­ дов и связанное с ним образование дополнительного количества дислокаций. Увеличение числа циклов при испытаниях способ­ ствует накоплению микродеформации вблизи гидридов и тем

вом направлении вырезались образцы с рабочей частью длиной

* Эту работу провели Н. Я. Николенко, Е. Ю. Ривкин, А. М. Каптельцев и др.

78

100 и шириной 12 мм. ЙспыФания проводили при температуре

300—350° С и напряжении 9—15 кгс/мм2.

Как следует из полученных данных, термообработка суще­

минимальных скоростей ползучести в зависимости от вида тер­

ском при температуре 500° С в течение 24 ч. Близкие значения скорости, ползучести получаются после низкотемпературного отжига (при 465° С в течение 4 ч или при 550° С в течение 5 ч) и после закалки с последующим отпуском. Высокотемператур­ ный отжиг (при 700° С в течение 30 мин) приводит к сущест­ венно большим скоростям ползучести. Высокая скорость ползу­ чести отмечена у закаленных и холоднодеформированных образ­ цов, если они не подвергались последующему низкотемператур­ ному отпуску.

Влияние режима отжига на сопротивление ползучести сплава

со структурными изменениями, происходящими в результате отжига в сплаве. Наименьшее сопротивление ползучести харак­ терно для полностью рекристаллизованного состояния, достигае­ мого после отжига при 700° С, который обусловливает не только полную рекристаллизацию, но и частичную фазовую перекри­ сталлизацию, приводящую к существенному росту a -зерен и вы­ делений (3-фазы ниобия. Отжиг обеспечивает наибольшее сопро­ тивление ползучести, если он производится при температуре до 500° С, и после него сохраняется структура холоднодеформиро­

79