Добавил:
okley
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Курсовой проект 5 кафедра (спецы 4 курс) / 178_Физическое материаловедение_7 том
.pdf
51
ратура стержня достаточно низкая, образуется двойная текстура
(010) и (110), характерная для умеренных температур прессования.
Середина стержня, находящаяся при более высокой температуре,
имела текстуру (131) и (130), а на наиболее горячем конце стержня
(~ 620 °С) возникала текстура (100), причем одновременно прохо-
дила рекристаллизация.
Прокатка урановых прутков при 300 °С приводит к формирова-
нию в направлении, близком к направлению прокатки, сильно вы-
раженной двойной текстуры (010) и (041), а также более слабой
текстуры (130). Увеличение температуры прокатки до 600 °C по-
вышает интенсивность компоненты (130) в направлении прокатки
и уменьшает интенсивность компоненты (010). Текстура прутка,
выдавленного при 500 °С с обжатием ~
92 %, характеризуется
сильно выраженной текстурой (010) и более слабой текстурой (110)
в направлении, близком к направлению [031]. Увеличение дефор-
мации сдвигает эти текстуры к направлениям [010] и [410] соответ-
ственно. Характер текстуры прокатанных листов во многом напо-
минает текстуру прокатанных прутков. Легирование урана изменя-
ет текстуру обработки. Так, прокатка при 600–640 °С с обжатием
80–90 % бинарных сплавов урана с 0,5 % Сr, 0,9 % Аl, 0,25 и 0,5 %
Мо увеличивает вклад текстуры (010) и ослабляет текстуру (110).
Рекристаллизационный отжиг оказывает лишь слабое влияние
на текстуру и не приводит к ее разрушению. Так, в прокатанных
прутках после рекристаллизации сохраняется компонента (010), но
ее интенсивность убывает, а компонента (110) замещается компо-
нентой (140) со значительным разбросом ориентировок. Нагрев
деформированных образцов выше температуры α→β-превращения
уничтожает текстуру и приводит к образованию квазиизотропной
структуры. Однако быстрое охлаждение из β-фазы может вызвать
появление слабой текстуры закалки. Текстура закалки по сердеч-
нику твэла обычно неоднородна. Она обусловлена характером и
движением фронта β→α-превращения в уране при закалке. Тип и
степень выраженности текстуры закалки, как и текстуры деформа-
ции, зависят от условий термической обработки и легирования.
Так, увеличение содержания железа с 0,01 до 0,08 % усиливает в
среднем по сечению стержня текстуру (010) при скорости охла-
ждения ~
750 °С/с и ослабляет при меньших скоростях (~
100 °С/с)
Влияние легирования на текстуру обусловлено тем, что оно увели-
52
чивает критическое скалывающее напряжение для скольжения.
При достаточно большой величине зерна в уране может возникать
локальная преимущественная ориентировка в значительных объе-
мах, могущая привести к сильной жеванности (неровности) по-
верхности под облучением, а также искривлению изделий при об-
лучении и циклически изменяющейся температуре. Это явление
объясняется тем, что отдельные зерна с разной ориентировкой рас-
тут в разных направлениях по отношению к поверхности образца,
приводя ее к неравномерной деформации. Величина жеванности
пропорциональна размерам зерен.
30.1.4. Поведение урана при циклических
изменениях температуры
Многократно повторяющиеся циклические изменения темпера-
туры образцов, или так называемая циклическая термическая обра-
ботка (ЦТО), вызывают в поликристаллических образцах урана и
его сплавах размерную нестабильность (рис. 30.15 и 30.16), выра-
жающуюся в направленном изменении размеров, короблении и
огрублении поверхности, растрескивании образцов, изменении их
микроструктуры. Эти явления во многом подобны тем, которые
имеют место при облучении урана и его сплавов, хотя их природа
при ЦТО и облучении различна. Поэтому ЦТО обычно используют
как метод предварительной оценки радиационной стабильности
материалов. Следует также иметь в виду, что периодические изме-
нения температуры топлива происходят при его выгорании, изме-
нении уровня мощности, остановке и повторном пуске реактора,
что создает дополнительную необходимость в изучении поведения
урана и его сплавов при ЦТО.
Рис. 30.15. Рост уранового прутка
при термических циклах в интер-
вале температур 100–500 °С (×2):
а – 2132 цикла; б – 4882 цикла
53
Рис. 30.16. Рост мелкозернистого урана с сильной ориентировкой зерен
(пруток, прокатанный при 300 °С). Рост от 50 до 390 мм после 300 циклов
в интервале температур 50 – 550 °С
Режим ЦТО характеризуется количеством циклов нагрева и
охлаждения, верхней и нижней температурами цикла, температур-
ными интервалами, скоростями нагрева и охлаждения, а также
временем выдержки образцов при верхней и нижней температурах
цикла.
Рост урана и его сплавов при ЦТО описывается выражением:
0
,
t
GN
N
lle
⋅
=⋅ (30.2)
где l
0
и l
N
– длина образца соответственно до и после ЦТО; N – чис-
ло циклов; G
t
– безразмерная величина, называемая коэффициен-
том термического роста. Она выражается в миллионных долях сан-
тиметра приращения длины на длине в 1 см за один цикл, т.е. в
см/(см · цикл) · 10
6
.
Преобразуя выражение (30.2), получим:
0
ln .
N
t
l
GN
l
=
(30.3)
При малом числе циклов:
0
1
,
N
t
l
G
lN
Δ
=⋅
Δ
(30.4)
где
N
l
N
Δ
Δ
– прирост длины
N
lΔ при увеличении числа циклов на
NΔ . При N ≤ 1000 зависимость G
t
от числа циклов описывается
выражением:
,
t
GabN=+ (30.5)
где а и b – константы.
Многочисленные исследования показали, что G
t
зависит от ха-
рактера и степени выраженности текстуры, числа циклов, размеров
зерен, легирования и режимов ЦТО.
54
Влияние текстуры и числа циклов. Зависимость коэффициен-
та термического роста G
t
от степени выраженности текстуры и
числа циклов пока-
зана на рис. 30.17 на
примере прокатан-
ных при 300 °С
прутков урана. Рост
деформации, харак-
теризующий увели-
чение степени вы-
раженности тексту-
ры, а также повы-
шение числа циклов
приводят к возрас-
танию G
t
. Это свя-
зано с дроблением
зерен и возникнове-
нием субструктуры
при ЦТО.
Изменение ха-
рактера текстуры
может существен-
ным образом влиять
на G
t
. Так, посте-
пенное ослабление
текстуры (010) в
прокатанных при
300 °С урановых
прутках и возник-
новение двойной
текстуры (110)–
(010) с ростом тем-
пературы прокатки
уменьшает коэффи-
циент термического
роста (рис. 30.18).
Рис. 30.17. Зависимость коэффициента роста при
циклической термообработке в интервале 50–550 °C
для урана, прокатанного при 300 °С, от степени об-
жатия при прокатке: 1 – N = 0; 2 – N = 700 (G
t
= a +
+ b N при изменении N от 0 до 700)
Рис. 30.18. Уменьшение коэффициента роста прока-
танного урана при циклической обработке в интерва-
ле 100–550 °С с повышением температуры прокатки
55
Под действием ЦТО текстура урана в основном сохраняется, ес-
ли верхняя температура цикла не превышает температуру
α ↔ β-превращения. Отжиг в β-фазе разрушает текстуру обработки
давлением, что соответственно снижает величину коэффициента
термического роста. Степень этого снижения увеличивается с ро-
стом температуры отжига и длительности выдержки. Приложение
постоянной растягивающей нагрузки при ЦТО в интервале 180–
550 °С вызывает значительную деформацию, которая в несколько
раз превышает суммарную деформацию от действия ЦТО без
нагрузки и ползучести при верхней температуре цикла.
Влияние размера зерна. С увеличением размера зерна величина
G
t
уменьшается (рис. 30.19). Однако при этом следует иметь в ви-
ду, что крупное зерно
усиливает огрубление
поверхности при ЦТО.
Образующиеся при
этом неровности при-
мерно пропорциональ-
ны размеру зерна. За-
калка с температур β- и
γ-областей измельчает
зерно урана и уменьша-
ет тем самым жеван-
ность поверхности.
Влияние режимов
ЦТО. При верхней
температуре цикла ни-
же 300–350 °С рост при
ЦТО отсутствует. Уве-
личение верхней тем-
пературы цикла, а так-
же температурной амплитуды приводит к росту G
t
, как это видно
из рис. 30.20. Из него также следует, что текстурованный уран
удлиняется даже при небольших колебаниях температуры в верх-
ней области α-фазы. Рост урана наблюдали даже при колебаниях
температуры, составляющих около 2 °С.
Выдержка при верхней температуре цикла увеличивает коэффи-
циент термического роста до некоторого определенного значения,
Рис. 30.19. Влияние размера зерна на коэффици-
ент роста прокатанного урана при циклической
термической обработке в интервале 50–550 °С:
1 – N = 0; 2 – N = 700
56
выше которого повышение времени выдержки не сказывается на
величине G
t
. Скорость роста при ЦТО является максимальной при
медленной скорости нагрева образца и быстрой скорости его
охлаждения. При
быстром нагреве и
медленном охлажде-
нии величина G
t
яв-
ляется минимальной
(рис. 30.21).
Рис. 30.20. Влияние ин-
тервала температуры цик-
лической термической
обработки на рост прока-
танного урана; длитель-
ность нагрева и охлажде-
ния 5 с, время выдержки
при высокой температуре
5 мин, при низкой – 2 мин
Рис. 30.21. Влияние длительности нагрева и охлаждения на коэффициент роста
прокатанного урана при циклической обработке в интервале 50 – 500 °С:
1 – время нагрева переменное; охлаждение быстрое (за 5 с); 2 – нагрев и охлажде-
ние одинаковой длительности; 3 – быстрый нагрев (за 5 с), время охлаждения пе-
ременное
57
Изменение структуры
урана при ЦТО. Совер-
шенные монокристаллы
урана не изменяют своих
размеров при ЦТО в обла-
сти α-фазы. В то же время в
поликристаллическом
уране, подвергнутом ЦТО в
интервалах 25–500 и 100–
600 °С, наблюдается обра-
зование двойников, линий
скольжения, сдвигов по
границам зерен, миграция
последних, а также дробле-
ние зерен на блоки и суб-
зерна (рис. 30.22). Внутрен-
няя деформация зерен, при-
водящая к нарушениям по
их границам, растет с уве-
личением степени разори-
ентировки соседних зерен.
При быстром нагреве до
500–600 °С и малой дли-
тельности цикла в уране
развивается пористость и
возникают трещины. Поры
образуются преимуще-
ственно около включений; в
высокочистом уране они практически не возникают. ЦТО мелко-
зернистых образцов в интервале температур 50–600 °С приводит к
собирательной рекристаллизации; в крупнозернистых образцах она
практически не наблюдается.
Введение в уран V, Mo, Cr, A1, Si, Zr, Ti, С и других легирую-
щих элементов снижает скорость роста урана и уменьшает огруб-
ление поверхности при ЦТО (рис. 30.23 и 30.24). Благотворное
влияние легирования на стабильность урана при ЦТО обусловлено
тем, что оно способствует измельчению зерна и повышает механи-
ческие свойства.
Рис. 30.22. Полигонизация или образование
субзерен в уране при термических циклах:
а – перед циклической обработкой; б –
после 700 циклов между 100 и 550 °C
58
Для того чтобы
поверхность образцов
после ЦТО оставалась
совершенно гладкой,
концентрация леги-
рующих элементов
должна быть доведе-
на до 2 % и более.
Однако, если в леги-
рованном уране име-
ется текстура типа
(010), то легирующие
элементы усиливают
направленный рост
при ЦТО.
Механизм дефор-
мации при ЦТО. Со-
гласно имеющимся
представлениям по-
ликристаллический
текстурованный уран
состоит из пар раз-
лично ориентирован-
ных зерен. Между
ними при изменении
температуры возни-
кают значительные
напряжения, вызыва-
емые анизотропией
термического расши-
рения урана. К ним
добавляются напряжения, обусловленные термическими градиен-
тами. Релаксация этих напряжений при низких температурах про-
исходит из-за скольжения в более слабом звене пары, а при высо-
ких – из-за течения по границам зерен. Этот процесс при термиче-
ских циклах приводит к необратимой остаточной деформации ура-
на. Однако существующие теории термического роста не объясня-
ют некоторые экспериментальные результаты, в частности, дроб-
Рис. 30.23. Размерная стабильность урановых
сплавов при термическом циклировании: 1 – уран,
восстановленный магнием; 2 – U–2,08 ат.% V;
3 – U–4,2 % Мо; 4 – U–0,55 % Cr
Рис. 30.24. Влияние легирования алюминием, маг-
нием и молибденом на рост урана при термиче-
ском циклировании: 1 – уран, восстановленный
магнием; 2 – U–0,6 ат.% A1; 3 – U–2,1 % А1;
4 – U–4,1 % Al; 5 – U–4,8 % Мо
59
ление зерен, возникновение субструктуры, рекристаллизацию и
образование пористости.
Циклическое изменение темпера-
туры урановых стержней с перехо-
дом через температуры α ↔ β- и
β ↔ γ-превращений приводит к
весьма большим размерным измене-
ниям (рис. 30.25). Так, диаметр
стержня из чистого магниетермиче-
ского урана после 75 циклов с пере-
ходом через α↔β-превращение уве-
личивается на 4 %.
Важное практическое значение
имеет случай, когда в β-фазу перехо-
дит полностью или частично более
нагретая центральная часть стержня,
что может происходить при нерегу-
лярном режиме работы реактора или
аварийной ситуации. Было установ-
лено, что заметное увеличение диа-
метра уранового стержня (несколько
процентов) происходит только в том
случае, когда в β-фазу переходит об-
ласть, занимающая более половины
диаметра стержня. Это показывает возможность перевода в β-фазу
некоторой части стержня при выгорании топлива. Кроме того, так-
же следует учитывать охрупчивание сердечника под облучением,
что может вызвать его растрескивание.
Самые большие изменения начальных размеров образцов про-
исходят при ЦТО с α ↔ β ↔ γ-превращениями. При этом наблюда-
ется образование значительной пористости и соответствующее
уменьшение плотности, составляющее ~30 % при 1000 циклах. По-
ры оказываются вытянутыми вдоль направления роста размеров
образца. Предполагается, что пластическое течение при фазовых
превращениях определяется напряжениями, возникающими в ре-
зультате изменения объема при превращении, относительной меха-
нической прочностью двух фаз, а также направлением и формой
поверхности раздела фаз при превращении. Так, при α ↔ β-пре-
Рис. 30.25. Цилиндрический
урановый образец, подвергну-
тый циклической термической
обработке: а – до обработки; б –
после 200 циклов (1 цикл/ч)
через α → β-фазовое превраще-
ние; в – после 144 циклов
(1 цикл/ч) через β → γ-фазовое
превращение
60
вращении в металле, находящемся в α-фазе, возникают напряжения
растяжения, а в металле, находящемся в β-фазе, – напряжения сжа-
тия. В результате участки α-фазы будут сокращаться в осевом
направлении и увеличиваться в радиальном.
При ЦТО с переходом через температуру β ↔ γ-превращения на
поверхности раздела двух фаз также возникают напряжения, при-
чем в металле, находящемся в β-фазе, – напряжения растяжения, а в
γ-фазе – сжатия. Но так как β-фаза более прочная, чем γ-фаза, то
деформироваться будет последняя, что приведет к сокращению по
диаметру и увеличению высоты образца.
30.1.5. Термическая обработка урана
Деформация с возвратом и рекристаллизацией и термическая
обработка (закалка, отжиг) проводятся для придания урану и ура-
новым сердечникам твэлов необходимого структурно-фазового со-
стояния (СФС), включая измельчение зерна и разрушение тексту-
ры, и, в конечном итоге, формирования заданных свойств.
Возврат и рекристаллизация. Деформированный уран имеет
высокие прочность и
твердость. Его струк-
тура содержит дефор-
мационные дефекты,
включая многочис-
ленные двойники и
полосы скольжения.
Отжиг деформирован-
ного урана при низких
температурах приво-
дит к возврату СФС,
изменению свойств.
Первый спад микро-
твердости после изо-
хронных отжигов
имеет место в интер-
вале 150–200 °С; вто-
рой, отвечающий на-
Рис. 30.26. Изменение микротвердости после изо-
хронных отжигов: 1 – уран, подвергнутый зонной
чистке; 2 – электролитический уран; 3 – уран тех-
нической чистоты
Соседние файлы в папке Курсовой проект 5 кафедра (спецы 4 курс)