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
221
стурные параметры, но изготовленных из одного и того же матери-
ала по близким технологическим процессам, подтверждают эту за-
кономерность.
Таблица 24.9
Структурные коэффициенты ползучести для трех различных
состояний сплава Zr−2,5 % Nb
Состояние
Холодная
деформация +
отжиг 540 °С, 5 ч
Закалка
от 860 °С в воду +
отжиг 515 °С, 24 ч
Охлаждение
от 860 °С +
отжиг 539 °С, 24 ч
K
C
,
МПанейтр
чм
2
⋅
⋅
6,17 ⋅ 10
−26
1,52 ⋅ 10
−26
2,4 ⋅ 10
−26
Анализ имеющихся данных испытаний позволил вывести урав-
нения, описывающие ползучесть основных отечественных про-
мышленных сплавов. Ползучесть сплава Zr−1 % Nb можно оценить
по выражению:
12т15
эф
8500
() expчSh(2,0105,05 )0,1
f
f
T
−−−
⋅ϕ⋅ − ⋅ ⋅ σ
ε=ε+⋅
(24.20)
где ϕ − плотность потока нейтронов, а
т
эф
ε
в зависимости от при-
ложенного напряжения выражается из уравнения (24.2). Формула
(24.20) пригодна для использования в интервале 280−400 °С.
Для сплава Zr−2,5 % Nb:
120,68
10
21
19,7
9150
(ч ) = 7,2 10 Sh exp
42,3
52000
3,7 10 Sh exp
12000
1,135 1 0 .
f
f
f
f
S
RT RT
S
RT RT
RT
−−
−
⋅σ
ε⋅τ ⋅−+
⋅σ
+⋅ ⋅ +
+ ⋅ ⋅ϕ⋅σ
(24.21)
В последней формуле фактор S является функцией флюенса и
изменяется от 1 при Ф
н
= 0 до 0,38 для Ф
н
> 5 ⋅ 10
24
м
−2
. Формула
(24.21) пригодна для использования в интервале 250−350 °С.
222
Радиационный рост. Под действием нейтронного облучения
при температурах около 300 °С циркониевые сплавы испытывают
не только ускоренную ползучесть, но и анизотропный рост без
приложения нагрузки (практически без изменения объема). При
этом вдоль оси с кристаллы уменьшают свой размер, а вдоль оси а
увеличивают. Коэффициент радиационного роста G
n
представляет
собой приращение полной эквивалентной деформации образца на
каждый смещенный атом, т.е.
22 2
12 13 23
12
[(d d)(d d)(d d)]
() 9
n
dd
G
E
= ε−ε + ε−ε + ε−ε
σϕν
, (24.22)
где под знаком корня стоит величина приращения полной эквива-
лентной деформации образца, выраженная через приращение де-
формаций по главным кристаллографическим направлениям dε
1
,
dε
2
и dε
3
; ()
dd
E
σ
ϕ
ν − полное число смещенных атомов в материа-
ле, подвергнутом облучению потоком частиц ϕ за время при сече-
нии образования смещений
d
σ и каскадной функции ν(Е).
Механизм радиационного роста недостаточно ясен. Полагают,
что рост циркония обусловлен двумя факторами: ориентированным
выстраиванием петель и переползанием дислокаций, стимулиро-
ванным облучением.
Количественно соотношение между радиационным ростом в
различных направлениях поликристаллического текстурированно-
го материала выражается так называемым индексом роста G
n
:
G
n
= 1 − 3f
n
, (24.23)
где f
n
− эффективная доля базисных полюсов в направлении п.
На рис. 24.65 показана зависимость деформации радиационного
роста от текстуры и флюенса нейтронов. Для сильно выраженной
текстуры мы видим удлинение вдоль прокатки (G
n
= 0,82) и сокра-
щение размеров поперек прокатки (G
n
= −0,2). Закалка из β-области
приводит к почти изотропной структуре (G
n
= 0,13), и наблюдается
лишь незначительный рост, переходящий в незначительное сокра-
щение размеров.
Используя принципы моделирования, изложенные выше, можно
построить зависимость индекса радиационного роста G
n
от тек-
стурного параметра θ для холоднодеформированных и рекристал-
223
лизованных труб, аналогич-
ную зависимости для пол-
зучести. Из рис. 24.66 вид-
но, что для осевого направ-
ления трубы индекс роста
G
A
практически не меняет-
ся, в то время как для
окружного направления ин-
декс роста G
T
с увеличени-
ем θ резко уменьшается и
при θ ≈ 25° становится от-
рицательным, т.е. при
больших значениях пара-
метра θ диаметр трубы в
результате радиационного
роста уменьшается.
Предварительная пла-
стическая деформация, при-
водя к повышению плот-
ности дислокаций, увеличи-
вает скорость радиационно-
го роста при облучении. Для
рекристаллизованного ма-
териала в начальной стадии
облучения рост носит зату-
хающий характер; для ма-
териала с высокой степе-
нью деформации наблюда-
ется рост с постоянной ско-
ростью (рис. 24.67).
Рис. 24.66. Зависимость индекса
роста G
n
от текстурного пара-
метра θ:
G
А
− осевое направление трубы;
G
Т
− окружное направление;
G
R
− радиальное направление
Рис. 24.65. Радиационный рост сплава ци
р
-
калой-2 при 60 °С в зависимости от пара-
метров текстуры:
1 − материал K (медленное охлаждение о
т
800 °С), продольное направление, f = 0,06,
G
n
= 0,82; 2 − материал V (закалка о
т
1020 °С), продольное направление, f =
= 0,26,
G
n
= 0,13; 3 − материал K, попереч-
ное направление,
f = 0,4, G
n
= −0,2
224
Рис. 24.67. Радиационный рост
сплава циркалой-4 в зависимости
от флюенса нейтронов и степени
холодной деформации (ХД):
1 − рекристаллизация, f = 0,112; 2 −
ХД 20 %, f = 0,077; 3 − ХД 70 %,
f = 0,055
При высоких флюенсах характер зависимости радиационного
роста от флюенса для рекристаллизованного материала резко изме-
няется. На кривой появляется излом (breakaway), радиационный
рост резко ускоряется и зависимость от флюенса становится ли-
нейной (рис. 24.68).
Рис. 24.68. Зависимость радиационного роста рекристаллизованного сплава
циркалой-2 от флюенса нейтронов при Т
обл
= 280 °С
Это явление, как полагают, обусловлено тем, что размеры дис-
локационных петель и их плотность становятся достаточными,
чтобы образовать дислокационную сетку, приводящую дислокаци-
онную структуру в состояние, близкое к структуре холодно-
деформированного материала. Механизм радиационного роста из-
меняется, приближаясь к механизму радиационного роста дефор-
мированного материала. Скорость радиационного роста при этом
также становится близкой к скорости радиационного роста дефор-
мированного материала.
225
Влияние легирования на ра-
диационный рост неоднозначно,
однако можно отметить, что чи-
стый Zr в наименьшей степени
подвержен радиационному ро-
сту (рис. 24.69). Наиболее об-
щий вывод, который можно бы-
ло бы сделать на основе этих
данных, то, что усложнение ле-
гирования вызывает увеличение
скорости роста.
Вместе с тем, как видно из
представленных на рис. 24.70 и
24.71 данных, усложнением со-
става и разумным варьировани-
ем концентрацией легирующих
элементов можно существенно
подавить радиационный рост.
Из рис. 24.72 также видно,
что более сложный по составу
сплав Э635 имеет явное пре-
имущество по стойкости против
радиационного роста, чем спла-
вы Э110 и циркалой-4.
Для основных сплавов, ис-
пользуемых в отечественной промышленности (Э110 и Э125), ра-
диационный рост в интервале температур практического их ис-
пользования может быть описан следующими уравнениями.
Для сплава Э110 в различных интервалах температуры радиаци-
онный рост в направлении оси трубы:
ро
A
ε
= 2,5 ⋅ 10
−14
(Ф)
0,43
exp(−725/Т), 400 ≤ Т ≤ 600 К;
ро
A
ε
= 3,8 ⋅ 10
−12
(Ф)
0,43
exp(−340/Т), 600 ≤ Т ≤ 675 К; (24.24)
ро
A
ε
= 5,6 ⋅ 10
−8
(Ф)
0,43
exp(−10200/Т), 675 ≤ Т ≤ 700 К.
Для сплава Э125 в интервале температур 500−600 К для направ-
ления оси трубы:
ро
A
ε
= 1,32⋅10
−15
(Ф)
0,5
exp(−700/Т). (24.25)
Рис. 24.69. Сравнение радиационного
роста йодидного Zr (1) с ростом спла-
вов Э125 (2), циркалой-2 (3) и экселл
(4) при Т
обл
= 415÷435 °С
226
Рис. 24.70. Радиационный рост сплава
Э110 в зависимости от содержания же-
леза и флюенса нейтронов, 10
26
м
-2
: –
1,8;
– 2,5; – 3,8; – 4,5; – 5,7; –
6,3 (реактор БОР-60,
Е > 0,1 МэВ, Т
обл
=
= 330–340 °С)
Рис. 24.71. Радиационный рост
сплава Э635 с разным содержанием
Nb, Sn и Fe в зависимости от
флюенса нейтронов (реактор БОР-
60,
Е > 0,1 МэВ, Т
обл
= 330–340 °С)
Рис. 24.72. Зависимость от флюенса
(
Е > 0,1 МэВ) деформации цирконие-
вых сплавов, облученных в реакторе
БОР-60 при температуре от 330 до
360 °С:
1 − Э110 (отжиг 580 °С, 3 ч);
2 − циркалой-4 (40 % ХД); 3 − Э635
(580 °С, 3 ч);
4 − Э-635 (40 % ХД)
Используя данные о текстурных показателях труб и соотноше-
ние (24.24), можно легко пересчитать радиационный рост для лю-
бого из главных направлений труб.
Деформация радиационного роста сплава Э-635 в разном струк-
турном состоянии (51 % ХД; отжиг в α- или (α+β)-области; закалка
из β- и (α+β)-области) показана на рис. 24.73. Сплав в отожженном
состоянии показывает низкую деформацию радиационного роста
при высокой повреждающей дозе (более 30 сна), что свидетель-
227
ствует о растянутом инкубационном периоде. В сплаве, закаленном
из верхней части (α+β)-области при малых дозах наблюдается по-
чти линейный рост, затем наступает стадия насыщения. В закален-
ном из β-области сплаве радиационный рост чрезвычайно мал: за-
висимость от текстуры определяется параметром Кернса f (см.
п. 24.1), т.е. ε ~ (1 − 3f
L
), в данном случае проявляется изотропность
материала. Холоднодеформированный сплав растет практически по
линейному закону, но скорость роста мала. Повышение степени
деформации ведет к увеличению деформации радиационного роста
(см. рис. 24.67).
Рис. 24.73. Влияние
структурно-фазового со-
стояния сплава Э635
(Zr
− 1,2 % Sn − 1,0 %
Nb − 0,35 % Fe) на де-
формацию радиацион-
ного роста при облуче-
нии в БОР-60,
Т
обл
=
= 330 °С (В.Н. Шишов)
Наиболее действенным фактором, влияющим на радиационный
рост сплавов системы Zr-Nb-Fe-Sn, является содержание железа
(см. рис. 24.70 и 24.71).
Подводя итоги по рассмотрению радиационного роста и ползу-
чести циркониевых сплавов, следует отметить аддитивность де-
формаций радиационной ползучести и роста. Сравнивая кривые G
2T
на рис. 24.64 и G
T
на рис. 24.66, нетрудно заметить, что при сопо-
ставимых скоростях ползучести и радиационного роста последний
может существенно повлиять на деформацию в окружном направ-
лении. Так, при малых θ окружная деформация за счет роста будет
увеличиваться, а при больших − уменьшаться. При определенных
условиях отрицательная деформация роста может преобладать и
диаметр трубы под давлением, несмотря на ползучесть, будет
уменьшаться. Такие случаи отмечались на практике, в особенности
при относительно низких температурах (около 100−200 °С), когда
скорость радиационной ползучести невелика.
228
Таким образом, текстура является эффективным средством
управления деформационным поведением изделий из циркониевых
сплавов. С другой стороны, термообработка изделий, в частности
труб из циркониевых сплавов, приводя к заметному упрочнению,
образует более изотропную структуру, лишая возможности управ-
лять деформационным поведением с помощью текстуры.
Комбинируя оба метода управления структурой и текстурой ма-
териала, можно регулировать свойства изделий из циркониевых
сплавов в широких пределах.
Контрольные вопросы
1. Назовите достоинства и недостатки Zr как реакторного материала.
2. Какие модификации Zr вы знаете? При каких условиях они суще-
ствуют в чистом цирконии? Охарактеризуйте свойства различных алло-
тропических модификаций циркония.
3. Чем вызвана анизотропия свойств (и каких свойств) циркония?
4. Что такое текстура? Опишите способ количественной характери-
стики текстуры циркония. От чего зависит формирование и выраженность
текстуры?
5. Особенности термической ползучести циркония. Чем вызвана ани-
зотропия его ползучести? Как задаются свойства анизотропии ползучести
циркония?
6. Характеристики диаграмм состояния Zr с легирующими элемента-
ми. Какие элементы увеличивают, а какие снижают температуру (α β)-
превращения?
7. Какие элементы наиболее эффективно упрочняют цирконий? Поль-
зуясь рис. 24.9, предложите составы сплавов системы Zr−Nb, имеющих
высокую прочность при комнатной температуре в сочетании с хорошей
технологичностью; предложите оптимальную термообработку выбранных
сплавов и объясните процессы, происходящие при этой термообработке.
8. Что представляет собой α′-фаза, при каких условиях она обра-
зуется?
9. Как можно зафиксировать при комнатной температуре β-фазу цир-
кония? В чем преимущества сплавов с β-структурой перед сплавами с
α-структурой?
10. Что представляет собой ω-фаза, при каких условиях она образует-
ся? Какими свойствами обладает ω-фаза?
11. Опишите структурные изменения в сплавах с метастабильной
β-фазой в процессе отпуска при 250−600 °С.
229
12. Охарактеризуйте диаграмму состояния системы Zr−Nb. Какие ви-
ды упрочнения применимы к сплавам этой системы? Предложите
конкретный сплав и опишите его структуру после: закалки; отпуска при
500 °С.
13. Охарактеризуйте диаграмму состояния системы Zr−Sn. Какие виды
упрочнения применимы к сплавам этой системы? Предложите конкрет-
ный сплав и опишите его структуру после: закалки; отпуска при 700 °С.
14. Назовите концентрационные зависимости распространения мета-
стабильных фаз в сплавах системы Zr−Nb.
15. По какой схеме происходит превращение метастабильной ω-фазы
при отпуске, какие структуры при этом образуются? Какой сплав в систе-
ме Zr−Nb имеет максимальное количество ω-фазы?
16. Пользуясь рис. 24.9, предложите оптимальный состав сплава
Zr−Nb для работы при 500 °С, обладающего высокой прочностью. Какую
структуру имеет выбранный вами сплав в состоянии термодинамического
равновесия при данной температуре?
17. Предскажите структуру и свойства сплава Zr−1 % Nb в состоянии
термодинамического равновесия при 200 °С; наличие и тип возможных
фазовых превращений, изменение структуры и свойств в процессе: закал-
ки от 850 °С; последующего отпуска при 500 °С.
18. Предскажите структуру и свойства сплава Zr−2,5 % Nb в состоя-
нии термодинамического равновесия при 20 °С; наличие и тип возможных
фазовых превращений, изменение структуры и свойств в процессе: закал-
ки от 850 °С; последующего отпуска при 540 °С.
19. Чем обусловлена максимальная прочность сплавов Zr с 3−8 % Nb
при 20 °С и с 3−5 % Nb при 500 °С и снижение прочности с увеличением
концентрации ниобия выше этих величин?
20. Пользуясь рис. 24.9 и 24.14, предложите составы сплавов системы
Zr−Nb, обладающие высокой прочностью и жаропрочностью при доста-
точной пластичности. Чем обеспечивается жаропрочность выбранного
вами сплава?
21. Пользуясь рис. 24.15 и 24.16, предложите составы сплавов системы
Zr−Sn, обладающие высокой прочностью и жаропрочностью при доста-
точной пластичности. Чем обеспечивается жаропрочность выбранного
вами сплава?
22. Предскажите структуру и свойства сплава Zr−1,6 % Sn в состоянии
термодинамического равновесия при 20 °С, наличие и тип возможных
фазовых превращений; изменение структуры и свойств в процессе: закал-
ки от 1000 °С; последующего отпуска при 500 °С.
23. Какие виды упрочнения и создания жаропрочной структуры цир-
кония вы знаете? Приведите примеры.
230
24. В чем принципиальное отличие структуры, механических и корро-
зионных свойств сплавов типа Э635 от отечественных сплавов системы
Zr−Nb и зарубежных циркалоев?
25. Дайте характеристику диаграммы состояния Zr−О. В каких кри-
сталлографических модификациях и в каких интервалах температуры су-
ществует оксид ZrО
2
?
26. Чем обеспечивается коррозионная стойкость Zr в кислородо-
содержащих средах? Почему воздух является более агрессивной средой
по отношению к Zr, чем СО
2
?
27. Опишите процессы, происходящие при коррозии Zr в воде и паре.
Какие механизмы приводят к росту оксидной пленки? Что представляют
собой пути облегчения диффузии («коротко-замкнутые») и какова их роль
в окислении циркония?
28. Перечислите этапы изменения состояния ZrО
2
с течением времени.
Какую структуру имеет оксид ZrО
2
при длительном окислении?
29. Охарактеризуйте кинетику окисления циркония. Какому закону
она подчиняется? Что такое «перелом» и «критическая толщина» пленки?
Охарактеризуйте состояние оксидной пленки до и после «перелома».
30. Как влияет температура на кинетику окисления циркония? Какие
факторы влияют на коррозию Zr в пароводяных средах? Перечислите их.
31. Чем обусловлено явление перелома в окислении циркония?
32. Что такое фретинг-коррозия циркониевых сплавов? Отчего она за-
висит? Какие последствия этого вида коррозионного повреждения?
33. Какие примеси являются наиболее вредными по отношению к кор-
розионной стойкости Zr и почему? Какова роль водорода в снижении кор-
розионной стойкости циркония?
34. Охарактеризуйте роль примесей и легирующих элементов в корро-
зионной стойкости циркония.
35. Назовите наиболее широко используемые на практике легирующие
элементы в Zr и охарактеризуйте влияние их на прочность, жаропроч-
ность, коррозионную стойкость и механизмы такого влияния.
36. Каковы роли Nb и Sn в коррозионной стойкости: чистого (напри-
мер, йодидного) Zr; Zr технической чистоты? Пользуясь рис. 24.15, 24.16
и 24.27, предложите состав сплава Zr−Sn, обладающего высокой коррози-
онной стойкостью, жаропрочностью и технологичностью.
37. В каких сплавах циркония термообработка существенно влияет на
коррозионную стойкость? Какое структурное состояние циркониевых
сплавов является наиболее коррозионно-стойким?
38. Предложите режим окончательной термообработки для получения
высокой коррозионной стойкости сплава Zr − 2,5% Nb.
Соседние файлы в папке Курсовой проект 5 кафедра (спецы 4 курс)