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
211
Таблица 24.7
Механические свойства циркониевых сплавов до и после облучения
нейтронами (Ф
н
= 2 ⋅ 10
20
м
−2
, Т
обл
= 20 °С) при температурах
испытания 20 и 300 °С
Сплав
Облу-
чение
20 °С 300 °С
σ
в
,
МПа
σ
0,2
,
МПа
δ, %
σ
в
,
МПа
σ
0,2
,
МПа
δ, %
Zr+1% Nb
n°
−
500−730
350
400−670
200
10−20
30
300−400
200
250−420
120
12−25
33
Zr+2,5% Nb
n°
−
650−660
450
580−610
280
11−12
25
490−510
300
455−460
200
11−13
23
Zr+1% Nb+
+1% Sn+
+0,4 % Fe
n°
−
780−850
590
660−770
500
2−7
16
−
320
−
230
−
21
При нагреве механические свойства циркониевых сплавов вос-
станавливаются. Температура начала восстановления несколько
превышает температуру облучения сплава. Наиболее интенсивно
восстановление происходит при температуре выше 400 °С, и пол-
ное восстановление механических свойств осуществляется при
температуре около 500 °С.
24.7.1. Сопротивление хрупкому разрушению
Сопротивление хрупкому разрушению является одной из важ-
нейших характеристик циркониевых сплавов, в особенности ис-
пользуемых для каналов, несущих давление. Основным условием
безопасной эксплуатации каналов под давлением является обеспе-
чение принципа «течь перед разрушением», т.е. каналы не должны
претерпеть внезапное хрупкое разрушение до того, как будет обна-
ружена течь и реактор остановлен.
Существуют различные критерии сопротивления хрупкому раз-
рушению: температура хрупко-вязкого перехода Т
хр
; критический
коэффициент интенсивности напряжений, называемый вязкостью
разрушения K
IС
; критическая длина трещины l
кр
; удельная работа
зарождения и роста трещины а
к
.
В обычных условиях Zr и большинство его сплавов являются
вязкими материалами. Однако облучение и накопление водорода,
212
происходящие при эксплуатации циркониевых изделий в реакто-
рах, приводят к охрупчиванию, выражающемуся в увеличении
температуры Т
хр
перехода из вязкого в хрупкое состояние и умень-
шении K
IС
и l
кр
.
На рис. 24.54 показаны кривые изменения критической тем-
пературы хрупко-вязкого перехода Т
хр
сплавов циркалой-2 и
Zr−2,5 % Nb, определенные по ударным испытаниям на изгиб об-
разцов с надрезом, в зависимости от содержания водорода и облу-
чения. Как следует из рис. 24.54, облучение сильнее воздействует
на сдвиг температуры Т
хр
при малых содержаниях водорода (см.
рис. 24.54,в), однако действие водорода в значительной степени
зависит и от структурных показателей, в частности ориентации
гидридов, как это уже отмечалось ранее (см. рис. 24.43).
Рис. 24.54. Влияние наводороживания на температуру
хрупко-вязкого перехода циркониевых сплавов:
а − холоднодеформированный циркалой-2; б − холоднодеформированный сплав
Э125; в − термообработанный сплав Э125; г − основной металл сварного соедине-
ния Э125; д − металл околошовной зоны Э125; е − металл сварного шва Э125;
1 − без облучения (1 − трубы, 1′ − листы); 2 − нейтронное облучение,
Ф
н
= (2,3÷4,7) ⋅ 10
24
м
2
213
Вязкость разрушения и критическая длина трещины зависят от
состава и структурного состояния сплава. В табл. 24.8 приведены
значения K
IС
и l
кр
для сплава Zr + 2,5 % Nb в различных состояниях
и сплава Zr + 1 % Nb + l % Sn + 0,4 Fe.
Из табл. 24.8 видно, что в исходном состоянии при номиналь-
ном содержании водорода (∼0,0002÷0,0004 % Н
2
) критическая дли-
на трещины, оцененная для наиболее жестких условий испытаний
каналов реакторов РБМК, составляет достаточно большую величи-
ну, существенно превосходящую ту, которая может быть уверенно
зарегистрирована при испытаниях или в процессе эксплуатации
(около 10 мм). Наилучшими характеристиками обладает сплав
Zr + 2,5 % Nb в отожженном состоянии и в состоянии ТМО-2.
Таблица 24.8
Значения вязкости разрушения и критической длины трещины
для канальных труб из циркониевых сплавов
Сплав Состояние
K
I
С
, МПа
⋅
м
1/2
l
*
к
р
, мм
Zr + 2,5% Nb Горячее прессование + холодная
деформация + отжиг 540 °С, 5 ч
97 42
Горячее прессование + закалка в
воду + холодная деформация +
старение (ТМО-1)
57 30
Горячее прессование + закалка в
инертном газе + холодная дефор-
мация + старение (ТМО-2)
96 42
Zr + 1% Nb +
+ 1% Sn+0,4% Fe
Горячее прессование + холодная
деформация + отжиг 580°С
66 32
* Определялась для условий 150 °С, 10,7 МПа, консервативная оценка по кор-
реляционным формулам.
Облучение существенно уменьшает критическую длину трещи-
ны. На рис. 24.55 показана зависимость критической длины трещи-
ны от флюенса нейтронов для труб из сплава Zr + 2,5 % Nb диамет-
ром 104 мм при толщине стенок 4,2 мм (реактор CANDU) при тем-
пературе 240−300 °С, определенной на малых компактных образ-
цах. Из рис. 24.55 видно, что критическая длина трещины резко
уменьшается в начальный период облучения. При увеличении
флюенса происходит дальнейшее медленное уменьшение критиче-
214
ской длины, которая становится уже соизмеримой с минимальной
регистрируемой длиной трещины. Поэтому именно критическая
длина трещины является
главным критерием ра-
ботоспособности труб
технологических кана-
лов.
Рис. 24.55. Зависимость кри-
тической длины трещины от
флюенса быстрых нейтронов
для трубы из сплава
Zr−2,5 % Nb при температуре
240− 300 °C, определенной на
малых компактных образцах
24.7.2. Радиационное формоизменение
Облучение быстрыми нейтронами вызывает размерные измене-
ния, обусловленные как ускорением процесса ползучести под дей-
ствием напряжений (радиационная ползучесть), так и размерными
изменениями, реализующимися в отсутствии напряжений (радиа-
ционный рост).
Изменение размеров циркониевых изделий, как правило, рас-
сматривают состоящим из трех аддитивных компонентов: обычной
или термической ползучести (ε
т
), радиационной ползучести (ε
р
) и
радиационного роста (ε
ро
), т.е.
ε = ε
т
+ ε
р
+ ε
ро
. (24.19)
В условиях реакторного облучения изменение размеров цирко-
ниевых изделий, а также изгиб их вследствие радиационных ползу-
чести и роста являются важнейшими факторами, определяющими
работоспособность твэлов и канальных труб энергетических ядер-
ных реакторов.
215
Радиационная ползучесть. Обычно рассматривают несколько
механизмов радиационной ползучести циркония:
1) ориентированное выстраивание петель дефектов под действи-
ем напряжений;
2) переползание существующих краевых дислокаций, также
ориентированное внешне приложенным напряжением, так называ-
емый механизм ИНПА (SIPA), т.е. индуцированная напряжением
преимущественная абсорбция точечных дефектов;
3) скольжение дислокаций при одновременном радиационном
или деформационном упрочнении;
4) скольжение дислокаций с переползанием;
5) скольжение с перерезанием препятствий. Скольжение при
этом может реализоваться как по призматическим, так и базисным
плоскостям.
В предложенной Николсом модели все эти механизмы включа-
ются последовательно по мере повышения напряжения, при этом
изменяется функциональная зависимость скорости ползучести от
напряжения, которую можно представить степенной функцией с
показателем степени, меняющимся от 1 (выстраивание петель, ме-
ханизм ИНПА) до 100 (скольжение с перерезанием стопоров).
Схематически последо-
вательность действия
различных механизмов
ползучести и соответ-
ствующих им зависи-
мостей от напряжения
показана на рис. 24.56.
Рис. 24.56. Схема последова-
тельности действия меха-
низмов ползучести циркони-
евых сплавов в условиях
облучения
Температурная область, в которой используются циркониевые
сплавы, охватывает интервал, в котором происходит изменение
216
механизма деформирования
и может более или менее
резко изменяться зависи-
мость скорости ползучести
от температуры. Это показа-
но на рис. 24.57.
Рис. 24.57. Зависимость скорости
ползучести сплава циркалой-2 от
температуры при σ = 140 МПа:
1 − направление вдоль прокатки;
2 − направление, близкое к попе-
речному
«Провал» в интервале 250−300 °С обусловлен тем, что включа-
ется механизм интенсивного деформационного старения. Однако
такие резкие различия существуют на ранней стадии деформирова-
ния. При длительных испытаниях процесс нивелируется.
Облучение вызывает двоякое действие на процесс ползучести. С
одной стороны, происходит упрочнение материала за счет возник-
новения скоплений дефектов, играющих роль стопоров, и, по-
видимому, за счет ускорения деформационного старения. Эти про-
цессы приводят к сокращению и подавлению стадии ползучести,
т.е. подавлению активного скольжения.
С другой стороны, ускоряются процессы, контролируемые пе-
реползанием дислокаций, что приводит к увеличению скорости
ползучести на более поздних стадиях и превращению затухающей
ползучести, в том числе при низких температурах, в установившу-
юся. Схематично воздействие облучения на ползучесть цирконие-
вых сплавов показано на рис. 24.58.
Таким образом, наиболее сильное влияние облучения проявля-
ется в области умеренных температур, соответствующих использо-
ванию циркониевых сплавов в реакторах. С повышением темпера-
туры влияние облучения ослабевает, однако степень влияния облу-
чения при высоких температурах зависит от интенсивности потока
нейтронов, так как скорость радиационной компоненты ползучести
возрастает пропорционально потоку нейтронов, т.е. ~ε
ϕ
.
217
Рис. 24.58. Схематическое изображение влияния облучения на ползучесть
циркониевых сплавов при постоянном напряжении:
− в реакторе; − вне реактора
На рис. 24.59 показана температурная зависимость скорости
ползучести циркониевых сплавов без облучения и под облучением
потоком нейтронов плотностью около 10
17
нейтр./(м
2
⋅ с), из кото-
рой следует, что при температуре около 380 °С действие облучения
практически вырождается. Однако если учесть, что плотности по-
токов быстрых нейтронов в современных ВВЭР могут достигать
3 ⋅ 10
18
нейтр./(м
2
⋅ с), то радиационная компонента будет вполне
ощутимой и при 400 °С.
Как отмечено выше, зависимость скорости ползучести сплавов
Zr от напряжения характеризуется постепенным увеличением пока-
зателя степени ~
n
εσ
с увеличением напряжения. При этом пока-
затель степени меняется не только с увеличением напряжения, но и
со временем испытания, что связано с протеканием динамического
деформационного старения. Облучение, резко сокращая переход-
ную стадию ползучести, делает функциональную зависимость
~εσ
практически независящей от времени, при этом линейный
характер зависимости скорости ползучести от напряжения (п = 1)
расширяется примерно до σ ≈ (1/3)σ
0,2
. Изменение характера зави-
симости под облучением иллюстрирует рис. 24.60.
Чистый Zr имеет низкое сопротивление ползучести, и только ле-
гирование делает возможным его использование при повышенных
температурах. Элементами, эффективно увеличивающими сопро-
тивление ползучести, являются Sn, Fe, Cr, Ni, Nb, Mo и О. Сравне-
ние сопротивления ползучести чистого Zr и различных его сплавов
представлено на рис. 24.59.
218
Рис. 24.59. Зависимость ползучести раз-
личных циркониевых сплавов от темпера-
туры при плотности потока быстрых
нейтронов ϕ
б.н
= 10
17
нейтр./(м
2
⋅ с): 1 −
чистый Zr; 2 − холоднодеформированный
облученный циркалой-2; 3 − сплавы типа
экселл; 4 − закаленный холоднодеформи-
рованный и состаренный сплав Zr−2,5 %
N
b
Рис. 24.60. Зависимость скорости
ползучести циркониевых сплавов
от напряжения при Т ≈ 300 °С
(схема): вид зависимости
ε
∼ σ
n
в
реакторе ( ) и вне реак-
тора ( )
На рис. 24.61 и 24.62 приведены зависимости деформации пол-
зучести от флюенса нейтронов для разных сплавов циркония.
Наиболее высокая ползучесть наблюдается у образцов сплавов ти-
па Э110. Добавка железа до 0,1 % снижает деформацию ползучести
(сплав Э110М). Видно, что сплав Э635 имеет существенное пре-
имущество перед остальными в стойкости против радиационной
ползучести, причем вариации состава по ниобию и олову слабо
влияют на ползучесть – различия не превышают 0,1 %.
В настоящее время нет никакой строгой теории «жаропрочно-
сти» циркониевых сплавов. В общем случае повышение сопротив-
ления ползучести происходит как за счет упрочнения твердого рас-
твора такими элементами, как кислород, железо, олово и ниобий,
219
так и за счет дисперсионного упрочнения. Во многих случаях по-
следний эффект является превалирующим, в особенности при
повышенных температурах.
Структурное состояние
сплавов является одним из
главных факторов, управляю-
щих сопротивлением ползуче-
сти сплавов. Сюда входят дей-
ствие холодной обработки (плотность дислокаций), наличие, дис-
персность и характер распределения выделений. Количественное
влияние структурного состояния может быть выражено через
структурный фактор K
С
− модуль ползучести [см. уравнение
(24.4)].
Холодная деформация, увеличивая плотность дислокаций, по-
нижает сопротивление циркониевых сплавов ползучести
(рис. 24.63), поскольку дислокации играют существенную роль в
процессе ползучести.
Рис. 24.61. Зависимость деформа-
ции радиационной ползучести
сплавов циркония от флюенс
а
нейтронов, облученных в реакторе
БОР-60 при 330 °С и напряжении
σ = 130 МПа: 1 − Э110; 2 − 110К;
3 − циркалой-4; 4 − Э635
Рис. 24.62. Деформация радиационной
ползучести сплавов Э110 и Э635 и их
модификаций в зависимости о
т
флюенса нейтронов (Т
обл
= 325 °С,
σ = 113 МПа):
●
– Э110 (1 % Nb, 0,01 % Fe, 0,08 % O
2
);
■
– Э110 (1 % Nb, 0,01 % Fe, 0,04 % O
2
);
– Э110M (1 % Nb, 0,01 % Fe,
0,04
% O
2
); ○ – Э635 (1,2 % Sn,
0,7 % Nb, 0,3 % Fe, 0,09 % O
2
);
–
Э635М (0,8 % Sn, 1 % Nb, 0,3 % Fe,
0,09 % O
2
); – Э635 (0,8 % Sn, 0,6 %
N
b, 0,3 % Fe, 0,09 % O
2
); – Э635
220
В пределах обычно реа-
лизуемых размеров зерна
для большинства промыш-
ленных сплавов циркония
(2−50 мкм) размер зерна
несущественно изменяет
сопротивление ползучести.
Структурный коэффици-
ент ползучести K
С
зависит
от типа легирования и обра-
ботки, определяющей
структурное состояние
сплава. В табл. 24.9 приве-
дены структурные коэффи-
циенты для трех состояний
сплава Zr−2,5 % Nb, из ко-
торой видно их существен-
ное различие.
Влияние текстуры на
ползучесть может быть про-
слежено по изменению С
2Т
в
уравнении (24.7). Описан-
ная выше модель текстуры
позволяет построить зави-
симость коэффициентов
анизотропии ползучести С
2Т
и С
2А
от текстурного пара-
метра θ. Такая зависимость
представлена на рис. 24.64,
из которой видно, что за
счет изменения текстуры
скорость ползучести в ок-
ружном направлении может быть уменьшена примерно в 1,5−2 раза
при переходе от радиальной (θ ∼ 30°) к тангенциальной (θ ∼ 70°)
текстуре. В осевом направлении деформация при этом не только
изменится по величине, но и изменит знак. Зависимость, изобра-
женная на рис. 24.64, получена расчетным путем, но сопоставление
результатов изучения ползучести труб, имеющих различные тек-
Рис. 24.63. Изменение индекса ползучести
K
С
сплава Zr−2,5 % Nb в зависимости о
т
плотности дислокаций при 300 °С (ско-
рость ползучести пропорциональна индек-
су K
С
)
Рис. 24.64. Изменение коэффициентов ани-
зотропии ползучести С
lk
труб из сплав
а
Zr−2,5 % Nb, имеющих текстуру типа по-
казанной на рис. 24.3, в зависимости о
т
текстурного параметра θ
Соседние файлы в папке Курсовой проект 5 кафедра (спецы 4 курс)