Прочность сплавов циркония - Влияние наводороживания и облучения

Многочисленные исследования, проведенные к настоящему времени в СССР и за рубежом, позволили установить большинство факторов, определяющих влияние наводороживания на свойства циркония и его сплавов. Обнаружено, что степень изменения механических свойств циркония и сплавов на его основе при растяжении зависит от содержания водорода., температуры испытаний, морфологии гидридов и структурного состояния. При этом наибольшее влияние, как оказалось, имеют температура испытаний и морфология гидридов [37, 70, 117, 122, 124,141,142,160,182].
Оценка механических свойств при 20° С для листов и прутков из циркония и его сплавов показала, что наибольшее изменение прочности и пластичности происходит в результате наводороживания до ~0,08%. Дальнейшее увеличение содержания водорода вплоть до 0,2—0,25% существенного влияния на свойства не оказывает. Степень изменения механических свойств циркониевых сплавов при этом тесно связана с морфологией гидридов, определяемой в данном случае структурным состоянием сплавов [155].
Наводороживание до 0,08% холоднодеформированных листов из сплавов циркония, гидриды в которых имеют вид «строчечных» скоплений, ориентированных параллельно плоскости прокатки, обусловливает увеличение пределов текучести и прочности на 10—40% и уменьшение общего удлинения и поперечного сужения на 40—60%. Аналогичный эффект наблюдается и для отожженных листов, если в результате отжига изменения ориентации гидридов по сравнению с характерной для холоднодеформированного состояния не происходит. Для отожженных листов, характеризующихся значительной разориентацией гидридов, уменьшение пластичности после наводороживания до 0,08% составляет ~70—80%. Вместе с тем следует отметить, что, несмотря на различия в степени уменьшения пластичности в результате наводороживания, абсолютный уровень характеристик пластичности отожженных сплавов заметно выше, чем холоднодеформированных.
Наводороженные сплавы циркония в закаленном состоянии характеризуются беспорядочной ориентацией гидридов и уменьшение их пластичности значительно больше, чем для отожженных или холоднодеформированных сплавов. Увеличение прочностных характеристик в этом случае заметно меньше. 

Рис. 3.6. Влияние наводороживания на механические свойства сплавов циркалой-2 (а, б) и Zr — 2,5% Nb 

В результате наводороживания до 0,08% общее удлинение листов из сплавов циркалой-2 и Zr — 2,5% Nb, закаленных от 1000°С, падает до нуля, изменение пределов прочности и текучести при этом не превышает 10% (рис. 3.6).
Влияние наводороживания на механические свойства труб из сплавов циркония в существенной степени зависит от технологии их производства, что является следствием зависимости морфологии гидридов, главным образом их ориентации, от технологии производства. Наиболее сильно пластичность изменяется в тех трубах, гидриды в которых ориентированы в радиальном или близком к радиальному направлениях, наиболее слабо — при ориентации гидридов по окружности [92, 117, 124, 165].
Исследование влияния технологии изготовления труб на морфологию гидридов обнаружило тесную связь ориентации гидридов с текстурой и позволило выявить наиболее нежелательные технологические операции при изготовлении труб из сплавов циркония, приводящие к радиальной ориентации гидридов при последующем наводороживании [92]. Наиболее вредная с точки зрения последующего изменения механических свойств ориентация гидридов наблюдается при использовании в технологии производства труб операций обжимки или протяжки, при которых происходит существенное уменьшение внешнего диаметра труб с небольшим изменением или без изменения толщины стенки (табл. 3.9).
Характерной особенностью при наводороживании сплавов циркония является зависимость ориентации гидридов от напряженного состояния в процессе их выделения. Приложение в процессе образования гидридов напряжений растяжения выше определенной критической величины приводит к так называемой переориентации гидридов—выделению гидридов, ориентированных перпендикулярно к направлению действия напряжений растяжения, характеризующихся наибольшим охрупчивающим эффектом.
Склонность к переориентации гидридов в трубах, а также листах и других полуфабрикатах из сплавов циркония тесно связана с технологией их изготовления [117, 123]. Чтобы избежать переориентации гидридов, уровень рабочих напряжений должен быть ниже критического. По данным работы [1], уровень напряжений, вызывающих переориентацию гидридов в оболочках для твэлов из сплавов циркония с 1 и 2,5% Nb, равен 0,4—0,5 предела текучести. С увеличением уровня приложенных напряжений выше критического количество переориентированных гидридов возрастает, при этом зависимость между количеством переориентированных гидридов и уровнем напряжений является в большинстве случаев прямо пропорциональной. Кроме уровня приложенных напряжений на степень переориентации гидридов существенное влияние оказывает температура испытаний (работы). 

Влияние технологии изготовления труб на изменение их механических свойств после наводороживания (испытание под действием внутреннего давления при 20 °C)

При одном и том же уровне рабочих напряжений степень переориентации выше при более высокой температуре [142].
В работе [156] при исследовании охрупчивающего действия переориентированных гидридов в тонкостенных трубах из сплава циркалой-2 было обнаружено, что наличие более чем 0,005% водорода в виде гидридов, ориентированных перпендикулярно к направлению растяжения, независимо от общего содержания водорода в сплаве приводит к хрупкому разрушению при 20° С. Однако в других работах, проведенных позднее, получены несколько иные данные об охрупчивающем действии переориентированных гидридов.
Амаевым А. Д. и др. [1] установлено, что наличие радиально ориентированных гидридов в трубках из сплава Zr—l%Nb в количестве, соответствующем содержанию 0,01% водорода, приводит к снижению общего удлинения при испытании кольцевых образцов на 80%. Уменьшение общего удлинения и поперечного сужения холоднодеформированных канальных труб из сплава Zr — 2,5 %Nb, содержащего 0,02% водорода, составляло 20 и 27% соответственно при степени переориентации гидридов 40% [142]. Полное охрупчивание (снижение общего удлинения

Рис. 3.7. Влияние температуры испытания на пластичность наводороженного сплава циркалой-2:
1 — исходное состояние; 2 — 0,005% Н2; 3 —0,01%Н2; 4 — 0,02% Н2.
до 0) образцов, вырезанных по окружности из холоднокатаных канальных труб из сплава Zr— 2,5 %Nb, в результате наличия переориентированных гидридов наблюдалось при содержании водорода >0,02%. Причиной разной степени охрупчивания в результате присутствия переориентированных гидридов является зависимость охрупчивания от отношения толщины образцов к протяженности гидридов. С увеличением толщины образцов охрупчивающий эффект при одной и той же протяженности переориентированных гидридов заметно снижается. Так, увеличение отношения толщины листового циркония, содержащего 0,025% водорода, к протяженности гидридов от 4 до 12 приводит к снижению охрупчивающего действия в 2—2,5 раза [173, 175].

Аналогичный эффект на охрупчивающее действие гидридов, ориентированных перпендикулярно к направлению растяжения, оказывает ускоренное охлаждение после наводороживания, приводящее к уменьшению линейных размеров гидридных скоплений. Уменьшение общего удлинения в результате присутствия ориентированных перпендикулярно к направлению растяжения гидридов в сплаве Zr — 2,5% Nb, содержащем 0,05% водорода, охлажденном после наводороживания со скоростью 100 град/мин, не превышает 70—75%, в то время как после охлаждения со скоростью 10 град/мин падение общего удлинения до 0 наблюдалось уже при содержании водорода 0,02 %.
С увеличением температуры испытаний на растяжение охрупчивающее действие наводороживания заметно снижается. По данным работ [80, 100, 141], восстановление величины поперечного сужения наводороженного до 0,005—0,02% сплава циркалой-2 начинается при температуре 85—150°С и происходит полностью при температуре 180—225° С (рис. 3.7). Полное восстановление общего удлинения в наводороженном на 0,05% сплаве циркалой-2 происходит при температуре ~430°С [17]. При 300°С общее удлинение сплава Zr — 2,5%Nb, содержащего
0,02% водорода, практически равно удлинению сплава в исходном состоянии. Различие удлинения наводороженного до 0,05% сплава Zr — 2,5% Nb по сравнению с непаводороженном не превышает10% при наличии гидридов, ориентированных параллельно направлению растяжения, и 20—25% при наличии гидридов, ориентированных перпендикулярно к направлению растяжения (табл. 3.10).

Таблица 3.10
Влияние ориентации и линейных размеров гидридов на механические свойства сплавов Zr — 2,5 % Nb и циркалой-2

* Ускоренное охлаждение после наводороживания.
** Соотношение протяженности гидридов к диаметру образца 0,03.
*** Соотношение протяженности гидридов к диаметру образца 0,1.

Определение механических свойств сплава Zr—l%Nb, содержащего 0—0,1% водорода, в интервале температуры 20— 600° С показало, что наводороживание значительно увеличивает снижение пластичности, наблюдающееся при 300—500° С, и сдвигает его максимум в сторону более высокой температуры. Полное восстановление пластичности сплава, содержащего 0,1% водорода, не наблюдается даже при температуре 600° С (см. рис. 3.2) [76]. «Провал» пластичности в указанном интервале температуры характерен и для сплава циркалой-2, однако влияние степени наводороживания на величину «провала» не обнаружено [77].
Наличие градиента температуры в стенке оболочки твэлов обусловливает неравномерное распределение гидридов при ее наводороживании и появление гидридного слоя (ободка) на менее нагретой поверхности. Присутствие гидридного ободка оказывает значительно большее охрупчивающее действие, чем равномерное в объеме металла гидрирование [91].
Выдвинутые в ранних исследованиях предположения, связывающие изменение охрупчивающего действия наводороживания при повышении температуры с предпочтительностью выделения гидридов по плоскости двойникования [185], резким уменьшением количества гидридов [54] и фазовым превращением в гидриде [162], не получили экспериментального подтверждения.
Исследование характера развития разрушения наводороженных сплавов циркония при различной температуре привело к разработке механизма, согласно которому водородное охрупчивание сплавов на основе α-Zr является типичным случаем гидридного охрупчивания, связывающего наличие и степень его проявления только с присутствием гидридов [33, 41, 54, 79, 177, 185, 186].
В процессе разрушения наводороженных циркония и его сплавов выделяют три последовательные стадии: образование и развитие трещин в гидридах, происходящее как результат взаимодействия гидрид — полоса скольжения и гидрид — двойник, развитие трещин из гидрида в матрицу и развитие трещин в матрице. Образование трещин в гидридах практически не зависит от их ориентации по отношению к направлению растяжения, а развитие их в матрицу является функцией ориентации. Хрупкое разрушение наводороженных сплавов циркония при испытаниях на растяжение происходит в результате нестабильности трещин, образовавшихся в гидридах и развившихся в металл. Достижение нестабильного состояния трещин зависит от межгидридного расстояния и размера зерна. С повышением температуры испытания уменьшается вероятность образования трещин в гидридах (так как их пластичность заметно возрастает при температуре выше 60°С) и нестабильность трещин, перешедших в металл.
Влияние нейтронного облучения на механические свойства циркония и его сплавов по своему характеру мало отличается от влияния на другие конструкционные материалы и заключается в повышении прочностных характеристик и снижении пластичности. Степень изменения механических свойств зависит от дозы
и температуры облучения, а также от структурного состояния материала.
Облучение губчатого циркония при 50—60° С приводит к насыщению, оцениваемому по изменению предела текучести, уже после облучения в интегральном потоке (5-6)·1019 нейтрон/см² (Е>1 Мэв). Увеличение предела текучести после такого облучения составляет 54% для отожженного металла и только 17— 11% для холоднодеформированного на 10—50%. Уменьшение общего удлинения для отожженного металла при этом составляет 25—27%, для холоднодеформированного на 10-4-20% — 234-8%, а для холоднодеформированного на 40—50% — практически отсутствует. Влияние облучения на пластичность менее заметно, чем действие холодной деформации.
Облучение иодидного циркония при 80° С в потоке 1020 нейтрон/см² приводит к увеличению предела текучести на 112% и снижению общего удлинения на 56%, однако состояние насыщения при этом не достигается [64]. Сопоставление эффекта облучения при температуре 80 и 300° С в потоке (3-4)Х1018 нейтрон/см² (Е>1 Мэв) показывает, что степень радиационного упрочнения циркония практически одинакова (табл. 3.11).
Отжиг радиационного упрочнения в отожженном и холоднодеформированном губчатом цирконии, облученном при 50— 60° С в потоке ~(5-6)·1019 нейтрон/см², начинается при температуре ~250°С, но более интенсивно происходит в отожженном металле. Полное снятие радиационного упрочнения в отожженном цирконии достигается в результате отжига при ~400°С в течение 1 ч, а в холоднодеформированном — при 450—470° С. Облучение способствует ускорению рекристаллизации холоднодеформированного циркония и понижает температуру ее начала.
Так же как и для чистого циркония, наиболее чувствительной к нейтронному облучению характеристикой для сплавов типа циркалой является предел текучести. Облучение при температуре до ~100°С полностью рекристаллизованного сплава циркалой-2 приводит к относительно быстрому достижению состояния насыщения, которое наблюдается уже при интегральном потоке 3-1019 нейтрон/см² (Е>1 Мэв). Увеличение предела текучести при этом составляет 60—65 и 100% соответственно при 20 и 300° С, а уменьшение пластичности не превышает 35— 40% [43].
При более высокой температуре облучения (260° С) состояние насыщения для полностью рекристаллизованного состояния может быть достигнуто только после облучения в интегральном потоке (3-4)-1020 нейтрон/см². 
Таблица 3.11
Влияние облучения на механические свойства циркония

Однако относительный уровень изменения прочностных характеристик при достижении состояния насыщения в этом случае мало отличается от наблюдающегося после низкотемпературного облучения. В результате облучения при еще более высокой температуре (380—400° С) механические свойства сплава циркалой-2 изменяются незначительно, что связано с заметным отжигом радиационного упрочнения. Так, после облучения в потоке 9,5· 1019 нейтронам² при 380°С увеличение предела текучести при 20° С составляет только 13% (95].
Поведение при облучении сплава циркалой-2 в холоднодеформированном и отожженном состояниях во многом аналогично, хотя абсолютный уровень механических свойств заметно различается и тесно связан со степенью предшествующей холодной деформации. Наиболее заметные изменения предела текучести облученного при 60° С холоднодеформированного на 10— 70% сплава циркалой-2 происходят после облучения в интегральном потоке нейтронов 1020 см² и увеличение потока до ~1021 нейтрон/см² существенного влияния не оказывает. При увеличении степени предшествующей деформации от 10 до 70% возрастание предела текучести в результате облучения в одном и том же потоке (1020 нейтронам²) снижается с 25—30 до 12%.
Облучение приводит практически к полному исчезновению различий в уровне прочностных характеристик в продольном и поперечном направлениях в холоднокатаных листах из циркалоя-2. При увеличении температуры облучения до 280°С интегральный поток нейтронов, при котором достигается состояние насыщения для холоднодеформированного на 13% сплава циркалой-2, несколько возрастает и составляет (3-)X1020 нейтрон/см² [43, 95].
Исследование влияния облучения при 280° С на механические свойства канальных труб реактора NPR, холоднодеформированных на 18 и 30% с последующим автоклавированием при 425° С в течение 72 ч, показало, что состояние насыщения для них наблюдается при интегральном потоке ~ (4-5)·1020нейтрон/см² (Е>1 Мэв) (табл. 3.12). В результате облучения в потоке 5-1020 нейтрон/см² предел текучести сплава возрос на 19—20 и 32—33 кгс/см², а уменьшение общего удлинения составило 9 и 20% соответственно при 300 и 20° С [100].
Определенное влияние на степень изменения механических свойств сплава циркалой-2 может также оказывать и характер напряженного состояния в процессе облучения. Сопоставление прочностных характеристик контрольных образцов из сплава циркалой-2 и образцов, вырезанных из канальных труб реактора, отработавших некоторое время, показало, что облучение в напряженном состоянии в рабочих условиях приводит к меньшему радиационному упрочнению [111, 112].
В результате облучения в потоке 2,3·1020 нейтрон/см² при 280° С холоднодеформированного и затем автоклавированного при 400° С в течение 72 ч сплава циркалой-2 в ненапряженном состоянии увеличение пределов текучести и прочности составило 23—25% при 20°С и 28% при 300°С. Увеличение пределов текучести и прочности после облучения в потоке 1021 нейтрон/см² при действии напряжения растяжения 9,8 кгс/мм² не превышало 20 и 7% при 20°С и 20 и 12% при 300°С. Уменьшение радиационного упрочнения при облучении в напряженном состоянии, как полагают, является следствием более интенсивного отжига радиационных дефектов.
Наблюдающийся характер изменения радиационного упрочнения в сплаве циркалой-2 в зависимости от интегрального потока нейтронов, а также достижение состояния насыщения после облучения в интегральном потоке (4-5)·1020 нейтрон/см² при 280° С тесно связан с происходящими при этом субструктурными изменениями в сплаве. Облучение приводит к увеличению количества скоплений вакансий и межузельных атомов, а также к появлению дислокационных петель в плоскостях типа {1100} [73].

Таблица 3.12
Влияние облучения на механические свойства сплава циркалой-2

Продолжение табл. 3.12

Примечание. В скобках приведены значения для поперечно вырезанных образцов; звездочкой отмечено поперечное сужение.

Максимального значения (3-106 см-3) плотность скопления дефектов достигает в результате облучения в интегральном потоке нейтронов 5·1020 см-2 (Е>1 Мэв) и практически не изменяется при дальнейшем увеличении потока нейтронов до 8-1021 см-2.
Сплав циркалой-2 в необлученном состоянии проявляет склонность к деформационному старению, одним из результатов которого является появление площадки текучести на кривых растяжения. Величина деформационного старения сплава зависит от уровня приложенных напряжений, скорости деформирования, степени предшествующей деформации и температуры. Облучение приводит к постепенному уменьшению деформационного старения сплава при температуре 250—350° С при увеличении интегрального потока нейтронов от 5-1017 до (3-4)Х1019 см~2 (Е>1 Мэв). При больших потоках эффект облучения резко падает. Степень уменьшения деформационного старения при облучении в листовом циркалое-2 зависит от текстуры [64].
Для облученного при 280° С в потоке 2,7-1020 нейтрон/см² отожженного сплава циркалой-2 восстановление прочностных свойств в результате отжига в течение одного часа начинается с температуры ~300°С и происходит полностью при температуре 500°С. Для холоднодеформированного (на 13—25%) сплава частичное снятие радиационного упрочнения, вызванного облучением при 280° С, имеет место уже в процессе облучения. Полное восстановление свойств происходит в результате отжига в течение одного часа при температуре 700° С [95].
Влияние облучения на механические свойства сплава Zr — 2,5%Nb исследовалось в работах [60, 71, 73, 143, 152, 190]. Обнаружено, что степень радиационного упрочнения этого сплава заметно зависит от структурного состояния (табл. 3.13). После облучения в интегральном потоке нейтронов 3-1020 см-2 при температуре 250—325° С наиболее высокая абсолютная величина радиационного упрочнения сплава Zr — 2,5%Nb наблюдается в закаленном из β-области состоянии. Далее по степени радиационного упрочнения следует закаленное из (α + β) -области состояние. Старение при 500° С после закалки приводит к уменьшению величины радиационного упрочнения [190]. Наименьшая величина радиационного упрочнения характерна для отожженного в α-области и холоднодеформированного (на 20— 40%) состояний. Относительная величина радиационного упрочнения наиболее высока для отожженного из (α + β)-области состояния и составляет 75% при температуре 20° и 142% при 300°С (см. табл. 3.13).
При одном и том же интегральном потоке нейтронов облучение при температуре 50—100° С обусловливает меньшее упрочнение, чем облучение при 250—325° С (рис. 3.8). К несколько меньшему упрочнению приводит и облучение при 375° С, что связано с частичным отжигом радиационных дефектов непосредственно в процессе облучения.

Таблица 3.13
Влияние облучения на механические свойства сплава Zr — 2,5% Nb

Продолжение табл. 3.13

Наиболее заметное упрочнение сплава Zr — 2,5% Nb в закаленном из (α+β)-области с последующим старением при 500° С в течение 24 ч состоянии в результате облучения при 250—325° С происходит в потоке 1020 нейтрон/см². Дальнейшее увеличение интегрального потока нейтронов менее эффективно (см. рис. 3.8).
Сопоставление зависимостей упрочнения закаленного сплава Zr — 2,5%Nb от времени старения в облученном и необлученном состояниях (рис. 3.9) показывает, что величина радиационного упрочнения чувствительна к уровню пересыщения твердого раствора ниобием, определяемого предшествующей облучению термической обработкой. 

Электронно-микроскопическое исследование облученных фольг сплава Zr — 2,5%Nb позволило обнаружить тесную связь величины радиационного упрочнения с субструктурными изменениями, происходящими в результате облучения при различной температуре, и выявить причины изменения степени радиационного упрочнения сплава в различных структурных состояниях [190].
Облучение при 300°С в потоке 3-1020 нейтрон/см² (Е>1 Мэв) приводило к образованию скоплений радиационных дефектов средним диаметром 25А и плотностью ~2·1017 см-3 в закаленном из β-области сплаве. В закаленном из (α+β)-области сплаве, наряду со скоплениями дефектов средним диаметром ~30А и плотностью 1016—1017 см-3, в призматических плоскостях присутствовали дислокационные петли диаметром 60— 150А с вектором Бюргерса типа α/3 <1120>, плотностью 1015—1016 см-3.
Атомы ниобия в твердом растворе α-Zr, как полагают, способствуют стабилизации небольших скоплений радиационных дефектов, препятствуя их росту и образованию петель дислокаций. В связи с этим, чем выше степень пересыщения твердого раствора ниобием, тем меньших размеров скопления дефектов, образовавшиеся при облучении, и тем выше соответственно величина радиационного упрочнения. Старение после закалки приводит к снижению пересыщения ниобием твердого раствора, в результате этого скопления радиационных дефектов могут достигать больших размеров; соответственно снижается величина радиационного упрочнения.
Особенностью изменения механических свойств сплава Zr — 2,5%Nb в результате облучения является резкое падение пластичности в закаленном из β-области состоянии (рис. 3.10). Для закаленного от 880—800° С сплава уменьшение поперечного сужения после облучения в потоке 3-1020 нейтрон/см² при 300° С относительно невелико и не превышает 10—15%, в то время как для закаленного от температуры >880° С сплава оно достигает 90—95%. Старение при температуре 500°С в течение до 100 ч практически не изменяет характера поведения сплава после облучения [75]. Электронно-микроскопическая фрактография выявила резкое различие в характере развития разрушения облученного сплава Zr — 2,5% Nb в закаленном из β- и (α+β)-областей состояниях. Закаленный из β-области сплав характеризуется хрупким разрушением с образованием трещин по границам зерен, в то время как разрушение закаленного из (α+β)-области сплава происходит вязко.
Полагают, что охрупчивание после облучения сплава Zr — 2,5%Nb в закаленном из β-области состоянии связано с увеличением межкристаллитных трещин вследствие снижения деформационного упрочнения в результате облучения, а также с весьма большой крупнозернистостью сплава в этом структурном состоянии. Однако превалирующим фактором, по-видимому, является снижение деформационного упрочнения. Это согласуется с тем, что закаленный из β-области сплав циркалой-2 склонности к охрупчиванию после облучения не проявляет.
После закалки из (α + β)-oблacτи более пластичная α-фаза циркония располагается преимущественно по границам превращенной β-фазы циркония и способствует развитию вязкого разрушения. После облучения степень деформационного упрочнения α-фазы циркония в сплаве Zr — 2,5% Nb увеличивается [190] и в связи с этим вязкое разрушение сохраняется и после облучения. 

Рис. 3.10. Влияние температуры закалки на пластичность сплава Zr — 2,5% Nb при 20 (а) и 300°С (б):
1 — необлученное состояние; 2 — после облучения.

 После двойной закалки сплава (первоначально из β-области, а затем из (α + β)-области) наблюдается такое же резкое падение пластичности при последующем облучении, как и после закалки, только из β-области. Зерна α-Zr в этом случае имеют пластинчатую форму и располагаются преимущественно внутри превращенной β-фазы циркония, не препятствуя развитию хрупких трещин по границам превращенной β-фазы циркония.

Характер изменения механических свойств при облучении и зависимость степени радиационного упрочнения от интегрального потока нейтронов и температуры облучения, а также от структурного состояния для сплава Zr — 2,5%Nb — 0,5%Сu практически аналогичны наблюдающимся для сплава Zr — 2,5%Nb. Зависимость радиационного упрочнения закаленного из (α + β)-области с последующим старением и без него и отожженного из (α+β)-области сплава Zr — 2,5%Nb — 0,5%Сu от интегрального потока нейтронов подчиняется выражению.

где V — эффективный объем препятствий для деформации, обусловленных облучением; Ф — интегральный поток нейтронов; а — число препятствий для деформации, вызванных одним нейтроном; К — константа [64]. Состояние насыщения достигается в результате облучения при 300° С интегральным потоком (1-2)-1020 нейтрон/см² (табл. 3.14).
Влияние облучения на степень упрочнения отожженных сплавов Zr — 2,5%Nb, Zr —2,5%Nb —0,5% Си и циркалоя-2 различно. После облучения при 280°С степень упрочнения сплавов с ниобием заметно выше. Об этом свидетельствует и сравнение данных по влиянию облучения при 45° С на механические свойства отожженных в α-области сплавов циркалой-2 и Zr — 3%Nb— l%Sn [104].
Различие в степени радиационного упрочнения циркалоя и сплавов с ниобием обусловлено, как полагают, стабилизирующим действием ниобия на радиационные дефекты, в результате чего накопление радиационных повреждений происходит быстрее, чем в сплавах типа циркалой. В частности, в работе [69] показано, что для сплава Zr — 2,5%Nb — 0,5%Cu, отожженного в (α+β)-области, накопление радиационных повреждений в процессе облучения при 300° С происходит в ~10 раз быстрее, чем в сплаве циркалой-2.
Отжиг в течение одного часа при температуре 400° С после облучения в потоке 3-1020 нейтрон/см² закаленных из (α+β)-οбласти и состаренных сплавов Zr — 2,5%Nb и Zr — 2,5%Nb— 0,5%Cu приводит к частичному восстановлению механических свойств. Полное снятие радиационного упрочнения достигается в результате отжига при 600° С [69].
Данные о влиянии облучения на механические свойства сплава Zr — 1 % Nb в зависимости от дозы, температуры облучения и структурного состояния весьма ограничены. В работе [1] установлено, что облучение при 284° С в потоке 1,6Х1018 нейтрон/см² отожженного сплава Zr—l%Nb приводит к увеличению предела прочности на 43 и 103% соответственно при 20 и 300° С. Снижение общего удлинения при этом составляет 44 и 78%. После облучения в интегральном потоке 1,5Х1020 нейтрон/см² увеличение предела текучести при 20°С достигает 120%. Дальнейшего снижения общего удлинения практически не происходит. 

Таблица 3.14
Влияние облучения на механические свойства сплавов Zr— 2,5% Nb—0,5% Си, Zr — 1% Nb и Zr—3% Nb —/% Sn

Продолжение табл. 3.14

Облучение при 130°С в потоке 3,5Χ1020 нейтрон/см² вызывает увеличение предела текучести сплава при 20° С в 2,5 раза (см. табл. 3.14).
Совместное влияние наводороживания и облучения на механические свойства сплавов циркония изучались в работах [1, 73, 80]. Однако проведенные исследования весьма ограниченны и полученные результаты не дают возможности в полном объеме представить характер изменения механических свойств в зависимости от содержания водорода, ориентации гидридов и особенно дозы облучения. Установлено, что эффект совместного влияния наводороживания и облучения не является суммарным эффектом.
Для холоднодеформированных сплавов циркалой-2 и Zr — 2,5%Nb, а также закаленного и состаренного сплава Zr — 2,5%Nb — 0,5%Сu, содержащих до 0,025% водорода в виде гидридов, ориентированных параллельно направлению растяжения, влияние облучения при 280—300° С в потоке 1021 и 1020 нейтрон/см² (соответственно для циркалоя-2 и сплавов с ниобием) на прочностные свойства практически не зависело от степени наводороживания и заметно превышало эффект наводороживания. Влияние наводороживания практически одинаково в облученном и необлученном состояниях и незначительно по абсолютной величине (табл. 3.15).
Изменение прочностных свойств сплавов в результате совместного действия наводороживания и облучения превышало изменение свойств вследствие наводороживания или облучения. Изменение пластичности этих сплавов в этом случае определялось, главным образом, действием облучения.
Несколько иной характер изменения механических свойств при совместном действии наводороживания и облучения наблюдается тогда, когда в результате наводороживания образуются гидриды, ориентированные перпендикулярно к направлению растяжения [80]. Обнаружено, что влияние облучения и наводороживания, приведшего к образованию гидридов, ориентированных перпендикулярно к направлению растяжения, на прочностные свойства холоднодеформированного сплава циркалой-2 противоположны по своему эффекту: облучение обусловливает увеличение прочностных характеристик, а наводороживание — их снижение. В связи с этим общий эффект наводороживания и облучения на прочностные свойства меньше эффекта облучения (см. табл. 3.15).
При 20° С превалирующим оказывалось действие наводороживания. В результате наводороживания до 0,02% и облучения в потоке 4,3·1019 нейтрон/см² предел прочности при 20°С холоднодеформированного сплава циркалой-2 уменьшился на 29%. При 300° С влияние наводороживания на прочностные характеристики практически отсутствовало. 

Таблица 3.15
Влияние облучения и наводороживания на механические свойства сплавов циркония

Присутствие ориентированных перпендикулярно к направлению растяжения гидридов вызывало резкое падение пластичности сплава, и при содержании 0,02% водорода поперечное сужение при 20° С равнялось нулю. 

Рис. 3.11. Влияние облучения и наводороживания на механические свойства сплава Zr—1% Nb:
1 — необлученные; 2 — необлученные, выдержанные в воде при 290° С в течение 4000 ч; 3 — облученные в потоке 3.5 · 1020 нейтрон/см² при 130°С; 4 — облученные в потоке 1,5·1020 нейтрон /см² при 290 С.

Облучение усиливало эффект наводороживания, и падение пластичности до нуля происходило уже при содержании 0,005% водорода. Однако при 300°С наводороживание до 0,02% и облучение в потоке 4,3Х1019 нейтрон/см² практически не влияли на пластичность сплава.
А. Д. Амаев и др. [1] определили влияние наводороживания до 0,2 вес.% Н2 и облучения при 130 и 290° С в потоках 3,5Х1020 и 1,5·1020 нейтрон/см² (Е>1 Мэв) на механические свойства сплава Zr—l%Nb. Эффект наводороживания на прочностные характеристики и пластичность при 20°С в облученном состоянии заметно меньше, чем в необлученном.
Так же как и для сплавов циркалой и Zr — 2,5%Nb, влияние облучения превалирует над влиянием наводороживания. Суммарный эффект облучения и наводороживания на механические свойства сплава Zr—l%Nb мало зависит от температуры облучения и содержания водорода свыше 0,02% (рис. 3.11).