Чернов Влияние легирования 2007

Структурное состояние сплавов является одним из главных факторов, управляющих сопротивлением ползучести сплавов. Сюда входят действие холодной обработки (плотность дислокаций), наличие, дисперсность и характер распределения выделений.

Холодная деформация, увеличивая плотность дислокаций, понижает сопротивление циркониевых сплавов ползучести (рис. 4.8), поскольку дислокации играют существенную роль в процессе ползучести.

В пределах обычно реализуемых размеров зерна для большинства промышленных сплавов циркония (2−50 мкм) размер зерна несущественно изменяет сопротивление ползучести.

Структурный коэффициент ползучести КС зависит от типа легирования и обработки, определяющей структурное состояние сплава. В табл. 4.2 приведены структурные коэффициенты для трех состояний сплава Zr−2,5 % Nb, из которой видно их существенное различие.

Анализ всех имеющихся к настоящему времени данных испытаний позволил вывести уравнения, описывающие ползучесть основных отечественных промышленных сплавов. Скорость ползучести сплава Zr−1 % Nb можно оценить по выражению:

71

×Sh(2,0 10−2 σf ),

где ϕ − плотность потока нейтронов, а εТэф в зависимости от приложенного напряжения выражается как

72

В последней формуле фактор S является функцией флюенса и изменяется от 1 при Ф = 0 до 0,38 для Ф > 5 1024 м-2. Формула (4.4) пригодна для использования в интервале 250−350 °С.

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 представляет собой приращение полной эквивалентной деформации образца на каждый смещенный атом, т.е.

где под знаком корня стоит величина приращения полной эквивалентной деформации образца, выраженная через приращение деформаций по главным кристаллографическим направлениям dε1, dε2 и dε3; σdϕdτν(Е) − полное число смещенных атомов в материале, подвергнутом облучению потоком частиц ϕ за время при сечении образования смещений σd и каскадной функции ν(Е).

Механизм радиационного роста недостаточно ясен. Полагают, что рост циркония обусловлен двумя факторами: ориентированным выстраиванием петель и переползанием дислокаций, стимулированным облучением.

Количественно соотношение между радиационным ростом в различных направлениях поликристаллического текстурированного материала выражается так называемым индексом роста Gn:

где fn — эффективная доля базисных полюсов в направлении п.

На рис. 4.9 показана зависимость деформации радиационного роста от текстуры и флюенса нейтронов. Для сильно выраженной текстуры мы видим удлинение вдоль прокатки (Gn = 0,82) и сокращение размеров поперек прокатки (Gn = −0,2). Закалка из β-области приводит к почти изотропной структуре (Gn = 0,13), и наблюдается

73

лишь незначительный рост, переходящий в незначительное сокращение размеров.

Используя принципы моделирования, можно построить зависимость индекса радиационного роста Gn от текстурного параметра θ для холоднодеформированных и рекристаллизованных труб, аналогичную зависимости для ползучести. Из рис. 4.10 видно, что для осевого направления трубы индекс роста GA практически не меняется, в то время как для окружного направления индекс роста GT с увеличением θ резко уменьшается и при θ ≈ 25° становится отрицательным, т.е. при больших значениях параметра θ диаметр трубы в результате радиационного роста уменьшается.

Предварительная пластическая деформация, приводя к повышению плотности дислокаций, увеличивает скорость радиационного роста при облучении. Для рекристаллизованного материала в начальной стадии облучения рост носит затухающий характер; для материала с высокой степенью деформации наблюдается рост с постоянной скоростью (рис. 4.11).

При высоких флюенсах характер зависимости радиационного роста от флюенса для рекристаллизованного материала резко изменяется. На кривой появляется излом (breakaway), радиационный

74

рост резко ускоряется и зависимость от флюенса становится линейной (рис. 4.12). Это явление, как полагают, обусловлено тем, что размеры дислокационных петель и их плотность становятся достаточными, чтобы образовать дислокационную сетку, приводящую дислокационную структуру в состояние, близкое к структуре холоднодеформированного материала. Механизм радиационного роста изменяется, приближаясь к механизму радиационного роста деформированного материала. Скорость радиационного роста при этом также становится близкой к скорости радиационного роста деформированного материала.

Gn

75

Влияние легирования на радиационный рост неоднозначно, однако можно отметить, что чистый Zr в наименьшей степени подвержен радиационному росту (рис. 4.13). Наиболее общий вывод, который можно было бы сделать на основе этих данных, то, что усложнение легирования вызывает увеличение скорости роста.

76

Вместе с тем, как видно из представленных на рис. 4.14 и 4.15 данных, усложнением состава и разумным варьированием концентрацией легирующих элементов можно существенно подавить радиационный рост.

77

Из рис. 4.16 также видно, что более сложный по составу сплав Э635 имеет явное преимущество по стойкости против радиационного роста, чем сплавы Э110 и циркалой-4.

Для основных сплавов, используемых в отечественной промышленности (Э110 и Э125), радиационный рост в интервале температур практического их использования может быть описан следующими уравнениями. Для сплава Э110 в различных интервалах температуры радиационный рост в направлении оси трубы:

Используя данные о текстурных показателях труб и соотношение (4.7), можно легко пересчитать радиационный рост для любого из главных направлений труб.

78

Подводя итоги по рассмотрению радиационного роста и ползучести циркониевых сплавов, следует отметить аддитивность деформаций радиационной ползучести и роста. При сопоставимых скоростях ползучести и радиационного роста последний может существенно повлиять на деформацию в окружном направлении. 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.

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 управлять деформационным поведением с помощью текстуры.

Комбинируя оба метода управления структурой и текстурой материала, можно регулировать свойства изделий из циркониевых сплавов в широких пределах.

79

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1.Сколько модификаций имеет чистый цирконий?

2.Какие основные требования предъявляются к легирующим элементам при создании циркониевого сплава для активной зоны реакторов на тепловых нейтронах?

3.Элементы какой группы Периодической системы наиболее сильно стабилизируют β-модификацию циркония?

4.Что происходит при отжиге закаленных из β-области сплавов при последующем отжиге при температуре ниже монотектоидной горизонтали?

5.Какой вид упрочнения в сплавах системы Zr−Nb и Zr−Sn?

6.Какими положительными свойствами обладает ниобий как легирующий элемент в цирконии?

7.Какими положительными свойствами обладает олово как легирующий элемент в цирконии?

8.Какие фазы образуются при закалке сплавов Zr-1 % Nb, Zr-2,5 % Nb, Zr-8 % Nb и Zr-25 % Nb из β-области?

9.Какие фазы образуются при закалке сплава Zr-2,5 % Nb из двухфазной α + β-области?

10.Какие концентрации Nb и Sn в Zr обеспечивают высокую жаропрочность сплава?

11.Какова роль Fe, Cr и Ni в сплавах циркалой?

12.Какие сплавы применяются для изготовления канальных труб, чехлов ТВС и оболочек твэлов для реактора?

13.В чем преимущество циркония перед сталями?

14.Какие упрочняющие фазы присутствуют в сплавах типа Э635, и в чем принципиальное отличие их фазового состава от реак-

торных сплавов системы Zr−Nb и циркалои?

15.Какие концентрационные области существования L- и T-фаз в системе Zr−Nb−Fe при 580 °С?

16.Назовите основные черты коррозии циркония в воде и паре высоких параметров.

17.Какие примеси наиболее сильно снижают коррозионную стойкость циркония?

80