Добавил:
okley
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Курсовой проект 5 кафедра (спецы 4 курс) / 178_Физическое материаловедение_6 том
.pdf
121
рис. 23.31,б, в наибольшей степени возрастает при малых концен-
трациях (< 2 %) β-стабилизирующих элементов. При легировании
α-стабилизирующим алюминием наблюдается радиационное
разупрочнение Ti, обусловленное, по-видимому, радиационно-
стимулированным снятием остаточных напряжений, обычно воз-
никающих на межфазных (α и Ti
2
Al) границах. Радиационное
упрочнение в сплавах Ti−V при малом количестве легирующей до-
бавки (до 2 %) связывают с упрочнением α′-фазой, выделяющейся
в виде тонких пластин в α-фазе. Легирование Ti нейтральным цир-
конием (с точки зрения стабилизации α и β-фаз) вызывает лишь
небольшое радиационное упрочнение.
Рис. 23.31. Радиационное упрочнение сплавов титана: а − влияние концентрации
легирующих элементов на упрочнение титана; б − радиационное упрочнение при
Ф
н
= 9 ⋅ 10
23
м
-2
сплавов Ti−Al (1), Ti−V (2) и Ti−Zr (3)
Из анализа данных рис. 23.31 можно сделать вывод о том, что
радиационному упрочнению в наибольшей степени подвержены
сплавы титана, содержащие мартенситоподобные фазы (α′-обо-
гащенная ванадием) и в меньшей степени сплавы с твердора-
створным (Zr, Al) и интерметаллидным (Al) упрочнением.
На рис. 23.32 приведены зависимости предела текучести и отно-
сительного удлинения α-сплавов титана от дозы облучения
нейтронами. Характерной особенностью этих зависимостей для ти-
тановых сплавов является наличие длительного инкубационного
122
Рис. 23.32. Зависимость механических свойств титано-циркониевого сплава РК-20
() и титановых сплавов ПТ-3В () и ПТ-7М (□, ■) от флюенса облучения при
различных температурах: , , □, − испытания при температуре облучения;
■ − испытания при 20 °С (В.В. Рыбин, С.С. Ушков, О.А. Кожевников)
123
периода, во время которого свойства сплавов практически не изме-
няются. Продолжительность инкубационного периода зависит,
прежде всего, от температуры облучения, а также от химического и
фазового составов сплавов. Так, например, сплав ПТ-3В системы
Ti−Al−V с содержанием 3,5 % β-фазы имеет более короткий инку-
бационный период, чем однофазный сплав РК-20.
Облучение при температуре до 250 °С вызывает более значи-
тельное радиационное упрочнение и снижение пластичности ис-
следуемых материалов, чем при высоких температурах.
Титановые α-сплавы с нормированным содержанием примесей
внедрения нехладноломки. Ударная вязкость сплавов ПТ-7М и
ПТ-3В при отрицательных температурах сохраняется на высоком
уровне, что, наряду с результатами испытаний на статическое рас-
тяжение, указывает на отсутствие склонности сплавов к хрупким
разрушениям при различных условиях нагружения и пониженных
температурах.
Особенно следует отметить, что при всех исследованных усло-
виях нейтронного облучения, в том числе в атомных ледоколах, не
обнаружена радиационная хрупкость образцов из титановых спла-
вов как при статическом, так и при динамическом нагружениях.
Радиационное упрочнение и охрупчивание Ti меньше, чем у
коррозионно-стойких аустенитных сталей и зависит от состава
сплавов. Значительное охрупчивание титановых сплавов происхо-
дит лишь при флюенсах, превышающих 10
25
м
–2
. Благодаря сохра-
нению высокой пластичности после нейтронного облучения, низ-
кому темпу снижения ее от флюенса нейтронов и отсутствию
хрупких разрушений α-сплавы титана могут успешно конкуриро-
вать со сталями различных классов − от низколегированных до
аустенитных.
Радиационное упрочнение Ti и его сплавов при нейтронном об-
лучении вызвано образованием скоплений точечных дефектов в
виде вакансионных петель в плоскостях {1100} с вектором Бюр-
герса b = 1/3 1120<>, дефектов упаковки R = 1/6 2023<> размером
несколько микрометров и пор, имеющих огранку плоскостями
{1011} и (0001). С ростом температуры радиационное упрочнение
снижается.
124
Наибольшую пластичность из сплавов Ti−Al−Zr, Ti−Al−Zr−
Nb−V, Ti−20 % Zr, Ti−30 % Zr при облучении сохраняют два по-
следних. При нейтронном облучении охрупчивание усиливается с
увеличением содержания в сплаве примесного кислорода, азота и
водорода. Однако под действием облучения гидриды могут раство-
риться, и в этом случае суммарное охрупчивающее действие водо-
рода и нейтронного облучения снизится.
Распухание Ti и его сплавов невелико в отличие от аустенитных
хромоникелевых сталей и даже высоконикелевых сплавов. Имити-
руя действие нейтронного облучения, α-сплавы Ti облучали тяже-
лыми ионами Аr
+
(Е = 2 МэВ, Т = 300÷700 °С) и Cr
3+
(E = 3,8 МэВ,
Т = 500 °С) и установили, что при уровне повреждений 80 сна
(примерно соответствует уровню повреждения в активной зоне ре-
актора БН-600) максимум распухания наблюдается при температу-
ре 400−500 °С и составляет всего 0,05−0,6%. Наибольшее распуха-
ние (0,6 %) обнаружено на Ti технической чистоты, а наименьшее
(0,05 %) на сплаве Ti−30% Zr. При нейтронном облучении макси-
мум распухания наблюдается в интервале 500−600 °С (рис. 23.33).
Рис. 23.33. Температурная зависимость
радиационного распухания титановых
сплавов:
− сплав ПТ-7М, Аr
+
, 2 МэВ, 80 сна;
□ − сплав ПТ-27, Cr
3+
3,8 МэВ, 80 сна;
− сплав ВТ-1М, Cr
3+
3,8 МэВ, 80 сна;
− сплав ПТ-7М, Cr
3+
3,8 МэВ, 80 сна;
× − сплав ВТ1-1, облучение нейтронами
до флюенса ∼10
27
м
−2
(∼80 сна)
Контрольные вопросы
1. Дайте характеристику растворимости химических элементов в
алюминии.
2. Что такое электроотрицательность химического элемента Перио-
дической системы Д.И. Менделеева? Определите электроотрицательность
алюминия.
3. Назовите основные легирующие элементы для создания прочных
алюминиевых сплавов.
125
4. Каким критериям должны удовлетворять вспомогательные леги-
рующие элементы для алюминия?
5. Дайте характеристику видов упрочнения на основе легирования
алюминия.
6. Назовите вредные примеси в алюминии с точки зрения механиче-
ских свойств.
7. Дайте характеристику сплавов типа дюралюминий.
8. Изобразите структуру сплава Аl − 2 % Сu, воспользовавшись диа-
граммой состояния системы сплавов на рис. 23.6.
9. Изобразите структуру сплава Аl − 11,7 % Si, воспользовавшись
диаграммой состояния системы сплавов на рис. 23.10.
10. Укажите состав и вид термообработки для создания самого жаро-
прочного сплава в системе Аl−Сu.
11. Что общего и в чем различие между естественным и искусствен-
ным старением сплавов на основе Al?
12. Назовите наиболее жидкотекучие сплавы в системах Al−Cu, Al−Si,
Al−Mg и Al−Li.
13. Опишите распад пересыщенного твердого раствора Сu в Аl и эво-
люцию выделений второй фазы.
14. Дайте общую характеристику свойств алюминий-магниевых спла-
вов типа АМг.
15. Дайте общую характеристику свойств алюминий-кремниевых
сплавов.
16. Дайте общую характеристику свойств алюминий-литиевых спла-
вов.
17. Каковы преимущества совместного легирования Аl магнием
и кремнием по сравнению с раздельным легированием?
18. Дайте объяснения влиянию Fe на коррозионную стойкость Аl,
в том числе и совместно с Ni.
19. Какие сплавы алюминия относятся к металлокерамическим?
20. Почему по мере увеличения температуры коррозионная стойкость
Аl на воздухе снижается?
21. Обоснуйте выбор количества Fe и Ni как легирующих элементов в
Аl и опишите фазовый состав в системе сплавов Al−Ni−Fe.
22. Дайте характеристику оксидной пленке на Аl как защите металла
от коррозии.
23. Опишите особенности коррозии Аl в воде при температуре выше
100 °С.
24. Назовите принципы легирования с целью повышения коррозион-
ной стойкости Аl в воде при повышенных температурах.
126
25. Назовите меры борьбы с интеркристаллической коррозией Аl
в воде.
26. Дайте характеристику свойств сплавов Аl, применяемых в ЯЭУ.
27. Дайте характеристику радиационной стойкости сплавов Al, их
совместимости с топливом и другими конструкционными материалами.
28. Дайте характеристику свойств магния.
29. Дайте характеристику растворимости химических элементов в Mg.
30. Назовите основные легирующие элементы для создания прочных
магниевых сплавов.
31. Каким критериям должны удовлетворять вспомогательные леги-
рующие элементы для магния?
32. Назовите вредные примеси в Mg.
33. Дайте характеристику сплавов в системе Mg−Al.
34. Изобразите структуру (эскиз) сплава Mg−5 % Аl, Mg−12,7 % Аl,
воспользовавшись диаграммой состояния системы сплавов Mg−Al на
рис. 23.15.
35. Изобразите структуру (эскиз) сплава Mg−0,05 % Се, воспользо-
вавшись диаграммой состояния системы сплавов Mg−Се на рис. 23.15.
36. Продолжите кривые зависимости σ
100
и НВ от содержания Аl в Mg
в сторону увеличения содержания Аl (рис. 23.15).
37. Объясните причины возникновения максимума жаропрочности в
системе сплавов Mg−Аl при содержании 6−7 % Аl (рис. 23.15).
38. Объясните ход кривой длительной прочности в системе Mg−Се по
мере увеличения содержания Се (рис. 23.15).
39. Укажите вид термообработки сплава с 5 % Аl в системе Mg−Al,
позволяющей получить максимум жаропрочности.
40. Выберите составы жидкотекучих сплавов в системах Mg−Al,
Mg−Mn, Mg−Zn, Mg−Се, Mg−Th, Mg−Ni, Mg−Be и укажите наиболее
жидкотекучий из них.
41. Учитывая снижение сопротивления ползучести сплавов по мере
роста рабочей температуры, укажите предельно допустимые рабочие тем-
пературы сплавов систем Mg−Al и Mg−Zn, сравните их между собой.
42. Укажите достоинства и недостатки сплавов систем Mg−Zr,
Mg−Zn−Zr, Mg−Th−Zn−Zr и сравните свойства сплавов, укажите преиму-
щества и недостатки сложного легирования.
43. При каких условиях оксидная пленка защищает Mg от дальнейше-
го окисления? Причины этого.
44. Как вы понимаете причины ускорения коррозии Mg в пароводяной
среде при росте рабочей температуры?
127
45. Назовите предпочтительную для Mg и его сплавов рабочую среду,
сделав термодинамическое обоснование возможных реакций Mg со сре-
дой.
46. Назовите принципы легирования с целью повышения коррозион-
ной стойкости Mg в воздухе, воде и СO
2
.
47. Проведите сравнение коррозионной стойкости сплавов систем
Mg−Al и Mg−Be−Zr.
48. Каково влияние Be на коррозионную стойкость Mg в СО
2
?
49. Каково влияние термической обработки на коррозионную стой-
кость Mg и его сплавов?
50. Назовите примеры использования магниевых сплавов в ЯЭУ.
51. Какие промышленные отработанные для ядерных реакторов спла-
вы магния Вы знаете?
52. Дайте характеристику совместимости сплавов магния с ураном,
его сплавами и соединениями.
53. Дайте характеристику радиационной стойкости магниевых спла-
вов.
54. Дайте характеристику кристаллической структуры и свойств бе-
риллия.
55. Какие требования к пластичности металлов предъявляет машино-
строение? Как удовлетворяет Be этим требованиям?
56. Каким образом изменяется предел текучести Be в зависимости от
размера зерна?
57. Назовите достоинства и недостатки бериллия.
58. Каковы причины низкой пластичности бериллия?
59. Дайте характеристику хладноломкости бериллия.
60. Дайте характеристику красноломкости бериллия.
61. Дайте характеристику растворимости химических элементов в бе-
риллии.
62. Назовите элементарные виды пластической деформации Be, при-
ведите типичные значения критических напряжений сдвига.
63. Каковы основные цели легирования Be применительно к задачам
машиностроения?
64. Охарактеризуйте возможности метода легирования Be для улуч-
шения его свойств.
65. Каково влияние технологии получения и обработки на свой-
ства Be?
66. Каковы способы упрочнения Be?
67. Предложите способы повышения пластичности Be.
68. Дайте характеристику металлокерамического способа получения
бериллия.
128
69. Назовите технологические методы повышения пластичности бе-
риллия.
70. Как улучшить механические свойства прессованного бериллия?
71. Приведите примеры применения Be в авиации.
72. Благодаря каким свойствам применяют Be в космической технике?
73. Назовите основные свойства, определяющие применение Be в
ЯЭУ.
74. Дайте характеристику радиационной стойкости бериллия.
75. Назовите машиностроительные сплавы бериллия.
76. Дайте характеристику коррозионной стойкости Be и его сплавов в
теплоносителях.
77. Назовите достоинства и недостатки титана.
78. Каковы особенности пластической деформации титана?
79. Дайте характеристику титану как основе для создания жаропроч-
ных сплавов.
80. Дайте обоснование и назовите основные легирующие элементы
титана при разработке прочных сплавов на его основе.
81. Назовите вредные примеси и дайте характеристику их взаимодей-
ствия с титаном.
82. Как изменяется температура α β-превращения Ti при его леги-
ровании алюминием? Дайте характеристику диаграммы состояния систе-
мы сплавов Ti−Al.
83. Как изменяется температура α β-превращения Ti при его леги-
ровании цирконием? Дайте характеристику диаграммы состояния систе-
мы сплавов Ti−Zr.
84. Дайте характеристику классификации сплавов титана в зависимо-
сти от их фазового состояния.
85. Предскажите структуру сплава Ti−2 % V (рис. 23.29) при медлен-
ном охлаждении до 20 °С; при закалке из β-области.
86. Предскажите структуру сплава Ti−3 % Al (рис. 23.29) при медлен-
ном охлаждении до 20 °С; при закалке из β-области; при закалке из β-
области и старении при 400 °С.
87. Предскажите структуру сплава Ti−2 % Fe (рис. 23.29) при медлен-
ном охлаждении до 20 °С; при закалке из β-области.
88. Назовите условия получения α-сплавов Ti, дайте характеристику
их микроструктуры и методов упрочнения.
89. Назовите условия получения (α + β)-сплавов Ti, дайте характери-
стику их микроструктуры в зависимости от вида термической обработки
(медленное охлаждение, закалка, старение).
90. Назовите условия получения β-сплавов Ti, дайте характеристику
их микроструктуры в зависимости от вида термической обработки.
129
91. Дайте характеристику методов упрочнения (α+β)-сплавов титана.
92. Дайте характеристику метастабильных фаз, получаемых при тер-
мической обработке (α+β)-сплавов титана.
93. Дайте характеристику мартенситного превращения в титановых
сплавах.
94. Назовите пути упрочнения β-сплавов титана.
95. Дайте характеристику коррозионной стойкрсти Ti в различных
средах.
96. Дайте характеристику коррозионного растрескивания сплавов ти-
тана.
97. Назовите основные причины водородного охрупчивания сплавов
титана.
98. Дайте характеристику технологических свойств сплавов титана.
99. Назовите основные причины и степень радиационного охрупчива-
ния и распухания сплавов титана.
100. Назовите области применения сплавов титана.
130
ГЛАВА 24. КОНСТРУКЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ
НА ОСНОВЕ ЦИРКОНИЯ
24.1. Свойства циркония
Цирконий достаточно распространенный элемент, его запасы в
земной коре составляют около 0,28 %. По распространенности он
занимает 11-е место среди элементов Периодической системы
Д.И. Менделеева. Цирконий считается тугоплавким металлом, его
температура плавления (1855 °С) выше температуры плавления
железа (1539 °С). Кроме циркония, благородных и некоторых ред-
ких металлов к тугоплавким относят: Ti (1672 °C), Cr (1875 °С),
V (1900 °С), Hf (1975 °C), Nb (2415 °C), Мо (2610 °С), Те (2700 °С),
Та (2996 °С), Re (3180 °C) и W (3410 °C), которые являются пере-
ходными металлами IVa, Va и VIa подгрупп Периодической систе-
мы элементов.
Нелегированный Zr, если не говорить об использовании его в
качестве дегазирующего, раскисляющего и легирующего элемента
в сплавах цветных и черных металлов, имеет ограниченное приме-
нение. Известно, что цирконий может входить в состав пиротехни-
ческих смесей, может применяться как геттер в радиоэлектронной
вакуумной технике. Сравнение циркония с другими материалами
для хирургических инструментов (особенно для нейрохирургиче-
ских) показало его высокую коррозионную стойкость и нетоксич-
ность.
Более 90 % производимого Zr и его сплавов используется в
атомной энергетике. Из них изготавливаются оболочки твэлов,
чехлы и другие детали тепловыделяющих сборок, канальные трубы
для реакторов на тепловых нейтронах. В связи с этим в настоящем
разделе цирконий, как основа конструкционных материалов, рас-
сматривается исключительно с точки зрения использования его в
реакторостроении и применительно к условиям, возникающим в
ядерных реакторах.
Удовлетворительные физико-механические свойства и весьма
низкое сечение захвата тепловых нейтронов позволяют считать Zr
«реакторным материалом № 1». По сечению поглощения тепло-
вых нейтронов (σ
а
= 0,185 ⋅ 10
−28
м
2
) Zr уступает лишь таким кон-
Соседние файлы в папке Курсовой проект 5 кафедра (спецы 4 курс)