книги из ГПНТБ / Герасимов В.В. Материалы ядерной техники учеб. пособие

50 Гл. 3. Свойства реакторных материалов

диаграмме растяжения. В этом случае за условный предел текучести принимают напряжения, вызывающие пластическую деформацию на 0,1 или 0,2%. Условный предел текучести обо­ значается Оо,1 ИЛИ СХо,2.

Пластичные материалы до разрушения под влиянием возра­ стающей нагрузки приобретают заметную пластическую или остаточную деформацию. Разрушение металла в таком случае называют пластическим. В случае хрупкого разрушения мате­ риал с ростом нагрузки деформируется упруго и затем при достижении некоторой величины нагрузки разрушается без пла­ стической деформации. В этом случае межатомные расстояния в процессе упругой деформации становятся столь велики, что межатомные силы ослабевают и происходит отрыв одной атом­ ной плоскости от другой. Нагрузка (на единицу площади), при которой происходит разрушение материала, называется преде­ лом прочности (ств). В хрупких материалах предел прочности равен пределу текучести. В пластичных металлах предел проч­ ности, естественно, выше предела текучести. Заметим, что в пла­ стичных материалах при напряжениях выше предела текучести одновременно развиваются и упругая, и пластическая дефор­ мации.

Приложение нагрузки, не превышающей предела текучести, вызывает искажение кристаллической решетки металла в результате смещения отдельных атомов из положений равнове­ сия. При растягивающих нагрузках увеличиваются межатомные расстояния вдоль оси, по которой происходит указанное смеще­ ние. При сжимающих нагрузках расстояние между атомами уменьшается. При смещении атомов из положения равновесия силы металлической связи стремятся вернуть их в исходное состояние. Сумма сил, действующих на все смещенные атомы, расположенные на единице площади поперечного сечения, назы­ вается напряжением и равна нагрузке, приходящейся на ту же площадь. Пока не пройден предел текучести, после снятия внеш­ ней нагрузки, каждый атом возвращается в положение равно­ весия. При этом упругие деформации и напряжения становятся равными нулю. Величина упругого смещения атома даже в атомных масштабах всегда мала. Работа, затраченная на упру­ гое деформирование металла, сохраняется в виде потенциальной энергии атомов искаженной кристаллической решетки.

Пластическая деформация кристаллов может происходить в основном двумя путями: скольжением и двойникованием. При скольжении имеет место движение тонких слоев кристалла наподобие смещения карт в колоде. Скольжение происходит вдоль определенной кристаллографической плоскости (плоско­ сти скольжения) и кристаллографического направления (направ­ ления скольжения). В г.ц.к. и гекс.п.у. кристаллических решет­

ках плоскостями скольжения являются обычно плоскости с наиболее плотной упаковкой атомов. В г.д.к. решетке такой плоскостью является плоскость (111), в гекс.п.у. — базисная плоскость (0001). При повышении температуры в скольжении могут принимать участие и другие плоскости, однако и они должны иметь относительно высокую плотность атомов. Сколь­ жение наиболее просто устано­ вить по присутствию линий сколь­ жения. Последние образуются при пересечении плоскостей скольжения с поверхностью кри­ сталла. Расстояние между плос­ костями скольжения в различных металлах различно, в среднем это ІО-4 см, т. е. ~ 1 0 3 атомных диа­ метров. Перемещение атомных плоскостей относительно' друг друга по плоскостям скольжения может достигать ІО2 атомных диаметров. В большинстве метал­ лов с увеличением деформации при значительном растяжении

расстояние между плоскостями скольжения не изменяется. Это указывает на то, что деформация протекает по уже образовав­

легким скольжением, когда движение дислокаций происходит в основном в одной системе скольжения (первичной). В монокри­ сталлах дислокации при этом проходят большие расстояния, порядка диаметра образца. Упрочнение,- соответствующее этой стадии, мало. В металле при этом образуются длинные линии скольжения.

С увеличением степени деформации наступает стадия II. Скольжение происходит во вторичных системах. Усиливается упругое взаимодействие дислокаций, в результате которого мо­ гут образоваться сидячие дислокации Ломера— Коттрелла, играющие роль барьеров, у которых скапливаются дислокации одного знака. Среднее число дислокаций в таком скоплении достигает в меди 20—25. Образование дислокаций Ломера — Коттрелла происходит, например, в металлах с г.ц.к. решеткой, когда две расщепленные дислокации с векторами Бюргерса, расположенными под углом 120°, встречаются на пересечении своих плоскостей скольжения. На стадии II линии скольжения

52 Гл. 3. Свойства реакторных материалов

становятся короче п среднее расстояние, проходимое дислока­ циями, уменьшается.

При еще больших деформациях наклон кривой «напряже­ ние— деформация» уменьшается. Наступает стадия ///, связан­ ная с термически активируемым процессом поперечного сколь­ жения винтовых дислокаций под действием возрастающего напряжения. Поперечное скольжение приводит к частичной релаксации (снятию напряжений). Дислокации группируются в объемные сетки (ячеистое строение дислокаций), внутри кото­ рых расположены менее искаженные области решетки (блоки). Ячеистая структура образуется тем легче, чем выше энергия дефектов упаковки, т. е. чем уже расщепленные дислокации и легче их поперечное скольжение. Поперечное скольжение обес­ печивает возможность аннигиляции отдельных дислокаций про­ тивоположных знаков, что также ведет к-уменьшению упругих напряжений.

В процессе деформации из-за наличия препятствий, задер­ живающих перемещение дислокаций, может возникнуть скоп­ ление их. При слиянии нескольких дислокаций образуется зародыш мпкротрещины, образование которого часто является следствием взаимодействия скоплений дислокаций, расположен­ ных в параллельных пли пересекающихся плоскостях скольже­ ния. Если в плоскости скольжения, где образовался зародыш мпкротрещины, непрерывно действует источник дислокаций, то микротрещина может расти, поглощая скопления дислокаций,

щина проходит через кристалл, вызывая его хрупкое разру­ шение.

В атомной энергетике и в котлостроении стали эксплуати­ руются при высокой температуре. В связи с этим стали должны быть жаропрочными. Под жаропрочностью понимают способ­ ность материала противостоять механическим нагрузкам при высокой температуре. Напряжение, которое может вызвать раз­ рушение металла при повышенной температуре, существенно зависит от длительности приложения нагрузки. Разрушающее напряжение может быть велико при кратковременном приложении нагрузки и мало при длительном действии на­ грузки.

Чем выше температура металла, тем ниже будет разрушаю­ щее напряжение при данной длительности действия нагрузки. В общем случае прочность металла определяется обоими фак­ торами: температурой и временем.

Общий вид зависимости прочности от длительности при­

должительности действия нагрузки. Так, при напряжении,

т. е. через несколько десятков лет. При более высокой темпе­ ратуре зависимость прочности от времени воздействия нагрузки становится все более заметной. При достаточно высокой темпе­ ратуре прочность снижается с увеличением длительности испы­

можно пренебречь, а при высокой температуре этот фактор при­ обретает решающее значение.

При учете фактора времени прочность металла следует оце­ нивать характеристикой, называемой длительной прочностью. Длительная прочность — это предел прочности при данной дли­ тельности испытаний или напряжение, вызывающее разрушение при данной продолжительности воздействия нагрузки. Длитель­ ная прочность обозначается буквой а с индексом, показывающим продолжительность воздействия напряжения в часах. Например, запись ст[оо обозначает напряжение, вызывающее разрушение через 100 ч.

Жаропрочность материалов характеризуется пределом пол­ зучести— напряжением, вызывающим заданную скорость де­ формации при данной температуре. Так, гГолЛооо обозначает напряжение, вызывающее суммарную деформацию 0,1% за 1000 ч. При высокой температуре происходит медленная пла­ стическая деформация металла под действием постоянных сравнительно малых напряжений. Такое явление называется

ползучестью.

Ползучесть приводит к изменению размеров и формы кон­ струкций и деталей и может привести к их разрушению. При

напряжениях скорость ползучести непрерывно уменьшается до тех пор, пока деформация не прекращается полностью. Вели­ чина пластической деформации при низкотемпературной ползу­ чести не превышает нескольких процентов. Причиной снижения скорости низкотемпературной ползучести во времени является прогрессирующее в процессе деформации торможение движения

ной ползучести (III стадия), предшествующий разрушению. При длительных сроках службы ползучесть характеризуется ско­ ростью ее на стадии II. Ползучесть возникает обычно при тем­ пературе выше (0,Зч-0,4) Гпл, т. е. в области температур, когда в сплавах может происходить изменение структуры за счет пере­ распределения легирующих элементов между фазами, вследст­ вие коагуляции и т. д.

На / стадии ползучести превалирует упрочнение, обуслов­ ленное блокировкой дислокаций, что приводит к замедлению ползучести. Когда скорость генерирования дислокаций станет равной скорости перехода их в другие плоскости, происходит переход ко II стадии ползучести. На III стадии ползучести по границам зерен накапливаются микротрещины, и микропоры, связанные со смещением зерен относительно друг друга. Раз­ рушение носит межкристаллитный характер.

Образование на поверхности металла адсорбционного слоя атомов или молекул теплоносителя снижает поверхностную энергию металла. При этом облегчается образование трещин, выход на поверхность дислокаций т. д. Жидкие металлы, атомы которых проникают в микротрещины, могут снижать сопротив­ ление материалов пластической деформации и интенсифициро­ вать разрушение.

§ 3. 3

Совместимость реакторных материалов

Совместимость характеризует взаимодействие ядерного горю­ чего с оболочкой твэла. Ядерное горючее и материал оболочки считают совместимыми при заданных условиях, если в течение длительного времени, находясь в контакте, они не взаимодей­ ствуют или скорость взаимодействия их невелика и не приводит к изменению формы или разгерметизации твэлов.

Совместимость материалов в ряде случаев определяет ресурс работы твэла, его максимальную рабочую температуру и яв­ ляется одним из важных критериев при выборе материала оболочки. В результате взаимодействия материалов топлива и оболочки могут образоваться продукты с меньшей или большей плотностью, чем исходные материалы. В первом случае могут измениться размеры твэла, е о втором может нарушиться кон­ такт между топливом и оболочкой. Утонение оболочки в сово­ купности с напряжениями, возникающими в твэлах, может привести к разрушению оболочки и вымыванию ядерного горю­ чего в теплоноситель.

Основную роль в процессе взаимодействия материалов топ­ лива и оболочки играет процесс диффузии. По скорости диф­ фузии можно судить о долговечности твэлов.

В твердом теле с идеальной кристаллической решеткой, все узлы которой заполнены атомами, возможно лишь колебатель­ ное движение атомов около положения равновесия. Для пере­ мещения атомов из одного узла решетки в другой или в межузлие необходимо хотя бы временное нарушение правильности строения решетки. Можно предполагать, что перемещение ато­ мов происходит путем обмена местами соседних атомов. В мо­ мент такого взаимного перемещения кристаллическая решетка должна значительно. исказиться, т. е. чтобы пропустить обме­ нивающиеся атомы, соседние атомы должны раздвинуться по крайней мере на два атомных диаметра.

Советскими учеными А. Ф. Иоффе, Я. И. Френкелем было высказано другое предположение о механизме диффузии. Ими было показано, что в реальных кристаллических решетках атом может перейти из узла решетки в межузлие. При этом атом занимает положение, аналогичное атомам легирующего эле­ мента в твердом растворе внедрения. В связи с деформацией кристаллической решетки в окрестностях атома, находящегося в межузлии, потенциальный барьер, который он должен пре­ одолеть для перехода в новое межузлие, меньше потенциаль­ ного барьера, который преодолевает атом при переходе из рав­ новесного положения в межузлие, т> е. атом, находящийся в

в межузлие освобождается место в узле кристаллической ре­

образовав новую вакансию. Этот процессе можно описать как миграцию вакансии.

Естественно, возможен и процесс рекомбинации. Атом из межузлия встречается с вакансией и нарушение решетки исче­ зает. Я. И. Френкелем показано, что каждой температуре со­ ответствует определенная равновесная концентрация нарушений обоих типов (межузельных атомов и вакансий). Чем выше температура, тем больше равновесная концентрация точечных дефектов.

Коэффициент диффузии D определяется соотношением

Рассмотрим факторы, влияющие на процесс диффузии в ме­ таллических кристаллах. Коэффициент диффузии тем выше, чем значительнее различается физико-химическая природа диффун­ дирующего элемента и растворителя. Считается, что искажение силовых полей в' кристалле вблизи атома растворенного ме­ талла должно облегчать диффузию, т. е. снижать энергию акти­ вации диффузии. Естественно в этом случае процесс самодиффузии, т. е. миграции атомов кристаллической решетки, харак­ теризуется меньшими скоростями, чем диффузия атомов посторонних элементов. Играет роль и тип твердого раствора. Очевидно, в твердых растворах внедрения и вычитания, в ко­ торых уже имеются межузельные атомы или вакансии, диф­ фузия интенсифицируется.

Кристаллическая решетка на границах зерен в металле или на границе металла с другой фазой всегда сильно искажена. Это обстоятельство способствует диффузии по границам зерен

ифаз, т. е. так называемой граничной диффузии.

Вядре дислокации кристаллическая решетка металла иска­

жена, атомы смещены из своего равновесного состояния н обладают повышенной энергией. Вследствие этого энергия акти­ вации диффузии вдоль линий дислокаций вдвое меньше, чем при диффузии в совершенной кристаллической решетке.

Для улучшения совместимости между оболочкой твэла и топливом создают диффузионный барьер, помещая, например, никель между ураном и алюминием. Интерметаллические со­ единения в системе U — Ni растут значительно медленнее, чем

При взаимодействии материалов оболочки и топлива могут образовываться соединения с низкой температурой плавления.

Так, Fe, Mn, Ni реагируют с U с образованием интерметаллидов и эвтектики с температурой плавления 715—740°. При темпе­ ратуре немного ниже эвтектической имеет место медленное взаимодействие. При температуре выше эвтектической (760— 800°) скорость взаимодействия столь высока, что Fe, Ni, нержа­ веющая сталь за 24 ч полностью сплавляются с ураном. Вольфрам не растворяется в твердом уране и очень медленно растворяется в жидком. Тантал медленно растворяется в у.ране при температуре до 1300°. Совместимость тугоплавких металлов с ураном снижается в следующем порядке: W, Та, Nb, Zr, Ti, Mo.

§ 3. 4

Радиационная стойкость конструкционных материалов

58 Г л . 3. Свойства реакторных материалов

в последние годы многие работы. Значительный вклад в этот раздел науки внесли советские ученые А. А. Бочвар, С. Т. Конобеевскнй, А. С. Займовский и др.

Наиболее существенно облучение нейтронами, особенно быстрыми. В результате взаимодействия с нейтронами изме­ няются структура и механические свойства материалов. Ней­ тронное облучение увеличивает разупорядочение структуры, ускоряет процесс распада твердого раствора.

При столкновении нейтронов, обладающих энергией 2 Мэв, с кристаллической решеткой металла время уменьшения энер­ гии нейтрона до 100 эв менее ІО-13 сек, т. е. энергия торможе­ ния передается в первичных столкновениях атомам решетки практически мгновенно. При достаточно высокой энергии ней­ трона атом кристаллической решетки может быть выбит из узла решетки в межузлпе, образовав смещенный атом. При этом образуется вакансия. Пара межузельный атом■— вакансия

устойчива в том случае, когда смещенный атом удаляется от вакансии на расстояние, превышающее период решетки. Сме­ щенный атом, обладающий повышенной энергией, может в свою очередь вызывать смещение других атомов. При этом проис­ ходит увеличение числа дефектов. Число смещенных атомов, приходящееся на один первично выбитый атом при облучении металла в реакторе нейтронами с энергией 1 Мэв, составляет для железа 390, для бериллия 440, для графита 900.

Возможен ряд устойчивых конфигураций смещенных ато­ мов. Так, в г.ц.к. решетке атом может разместиться в межузлин. Можно также представить, что смещенный атом вместе с одним из соседних атомов решетки образует парную комбинацию (гантель), центр которой находится в узле решетки. Возможна комбинация, когда атомы гантели образуют цепочку с атомами, занимающими нормальное положение в решетке. Последний тип дефектов называют кроудионом (от английского слова «crow» — толпа).

Повреждение кристаллической решетки быстрыми частицами можно рассматривать как результат соударения частиц или как эффект, создаваемый быстрым термическим процессом. Путь быстрой частицы в веществе можно разбить на два этапа. Пер­ вый этап (высокоэнергетический) оставляет лишь единичные дефекты — вакансии, атомы смещения. На втором этапе, когда быстрая частица уже потеряла большую часть своей энергии, длина ее пробега между последовательными атомными столкно­ вениями сильно уменьшается, т. е. чаще становятся ее столкно­ вения с атомами решетки. В этом случае преобладает хаоти­ ческое движение, вносящее полный беспорядок в систему атомов. Этот беспорядок нельзя интерпретировать как появле­ ние в решетке отдельных дефектов, так как сама решетка пере­

стает при этом существовать. В области, окружающей место остановки быстрой частицы, повышаются температура и дав­ ление. Вещество в этой области находится в состоянии жидко­ сти или плотного газа. Это состояние вещества называют «атомной плазмой». После охлаждения решетка восстанавли­ вается, но атомы занимают при этом новые позиции, происходит их новое размещение. Отсюда и название пик смещения. Окру­ жающая область пика кристаллическая решетка влияет на ориентировку кристаллизующейся области, в которой первона­ чальная кристаллическая структура почти полностью восста­ навливается. Сохраняются и винтовые дислокации. Областью пика смещения, где происходит плавление с последующей кри­ сталлизацией, считают цилиндрическую область в конце пути смещенного атома. Диаметр этой области от 2 до 4 атомных расстояний. Содержит она от 4 до 12 атомов решетки на каждое межатомное расстояние вдоль пути.

Если энергия, переданная частицей пр иоблучении металла, недостаточна, чтобы вызвать локальное расплавление металла и дать возможность атомам обменяться местами, то локальный нагрев может вызвать как бы местную термическую обработку. Такая область называется тепловым пиком (тепловым клином).

В полимерных материалах облучение может вызвать иони­ зацию, «сшивание». В полупроводниках при облучении может изменяться концентрация носителей?,

Возникающие под действием облучения дефекты (вакансии, смещенные атомы) могут перемещаться на значительное рас­ стояние, так как связь между ними ослабевает. При высокой температуре (высокой подвижности) скорость их перемещения увеличивается. Блуждающий дефект может встретить полярный ему дефект и рекомбинировать с ним, может выйти, на границу зерна поликристалла, где может быть адсорбирован, если при этом снижается общий уровень поверхностной энергии границы. С повышением температуры дефект может вновь перемес­ титься в тело зерна. Возможна адсорбция дефектов на дисло­ кациях. Последние всегда присутствуют в отожженных и холоднодеформированных металлах. Адсорбция дефектов на дислокациях приводит к закреплению последних. Дефекты создают вблизи дислокаций атмосферы Коттрелла и снижают их подвижность.

Изменение структуры металлов под действием облучения отражается на прочностных характеристиках материалов. Пре­ дел текучести начинает увеличиваться уже при облучении ин­ тегральным потоком ІО12 нейтрон/см2. Для ряда металлов вели­ чина предела текучести пропорциональна корню кубическому из интегрального потока. Изменение предела прочности при облучении подчиняется более сложной зависимости. Предел