Прочность сплавов циркония - Влияние облучения на ползучесть сплавов циркония

Рассмотрение теоретических аспектов проблемы влияния облучения на ползучесть сплавов циркония показывает, что скорость ползучести должна увеличиваться под влиянием облучения. Этот эффект связывают с образованием вакансий и пустот, вызываемых действием потока нейтронов. Увеличение концентрации вакансий должно увеличить коэффициент диффузии, а поскольку процессы ползучести определяются скоростями диффузии, то должна увеличиваться и скорость ползучести.
Однако экспериментальные данные были весьма разноречивы. По данным Д. Ф. Холмса, приведенным в работе [94], не было выявлено различия между скоростями ползучести в реакторных и внереакторных условиях холоднодеформированного циркалоя-2. Следует отметить, что эти испытания были проведены при относительно высокой температуре (300—375°С), напряжении (13,6—20,4 кгс/мм²) и относительно низких потоках нейтронов.
Другая серия испытаний образцов на ползучесть при одноосном растяжении в реакторных условиях для потоков нейтронов плотностью (0,5-1)·1013 (см²-сек)-1, (Е>1 Мэв), в широком диапазоне температуры и напряжений была проведена Фидлерисом [84]. Основные характеристики испытанных материалов приведены в табл. 4.3. Образцы для испытаний на ползучесть с диаметром рабочей части 2 мм были изготовлены из прутка диаметром 13 мм и из труб. Испытания были проведены в реакторе NRX при плотности потока быстрых нейтронов (5-—12)·1012 (см-сек)-1 (Е>1 Мэв) и в реакторе NRU при плотности потока (2-3)·1013 нейтрон/(см²·сек). Основные результаты испытаний циркалоя-2 и сплава Zr — 2,5% Nb представлены в табл. 4.4 и 4.5.
Нейтронное облучение увеличивает скорость ползучести холоднодеформированного циркалоя-2 при температуре 200— 350° С и сравнительно низком напряжении на порядок и более [84]. Скорость ползучести холоднодеформированного сплава Zr — 2,5% Nb при 300° С увеличивается в меньшей степени.
Предварительное облучение образцов мало сказывается при Низких напряжениях (10—15 кгс/мм²), но при высоких напряжениях скорость ползучести предварительно облученных образцов оказывается существенно ниже, чем необлученных образцов, что может быть связано с возникновением препятствий на пути движения дислокаций, вызванных действием облучения. По мнению Фидлериса, между скоростью ползучести и плотностью потока быстрых нейтронов существует линейная зависимость. Зависимость скорости ползучести от интегрального потока нейтронов была отмечена лишь при высоких напряжениях.

Таблица 4.3
Механические свойства сплавов циркония, испытанных на ползучесть в продольном направлении

Таблица 4.4
Результаты испытаний, на ползучесть циркалоя-2

Зависимость скорости ползучести от температуры (рис. 4.3) оказалась подобной для холоднодеформированного циркалоя-2 и закаленного, холоднодеформированного и отожженного сплава Zr — 2,5% Nb. При температуре около 350° С имеет место перелом кривой, и при температуре выше 350° С скорость ползучести резко увеличивается.
В. Фидлерис установил, что при напряжениях выше 21,1 кгс/мм² скорость ползучести холоднодеформированного сплава Zr — 2,5% Nb, циркалоя-2 и термообработанного сплава Zr — 2,5% Nb пропорциональна напряжению в степени п, причем n≥4. При более низких напряжениях эта зависимость характеризуется меньшими значениями п. Зависимость скорости ползучести от напряжений во внереакторных условиях не удалось описать степенной функцией.

Таблица 4.5
Результаты испытаний на ползучесть сплава Zr—2,5% Nb

В отношении зависимости скорости ползучести от состояния материала Фидлерис указывает следующее:
а) нейтронный поток увеличивает скорость ползучести холоднодеформированного циркалоя-2, холоднодеформированного сплава Zr—2,5% Nb и термообработанного сплава Zr—2,5% Nb;
б) холоднодеформированный сплав Zr — 2,5%' Nb в реакторных условиях имеет меньшую скорость ползучести, чем холоднодеформированный циркалой-2;

в) закаленный и отожженный сплав Zr — 2,5% Nb в реакторных условиях при напряжениях выше 21 кгс/мм² имеет существенно меньшую скорость ползучести, чем циркалой-2. При меньших напряжениях данных получено недостаточно, но, по- видимому, указанное соотношение сохранится;
г) влияние облучения на ползучесть отожженного циркония при температуре 200—300° С было невелико.

Переход к третьей стадии ползучести холоднодеформированного необлученного циркалоя-2 наступает при достижении деформации от 1 до 2% [137], в то время как при испытаниях подобных образцов в реакторных условиях этот переход не наблюдался. Фидлерис также показал [85], что скорость ползучести сплавов циркония сложным образом зависит от напряжений. На рис. 4.4 представлены результаты испытаний образцов из закаленного, холоднодеформированного и отожженного сплава Zr —2,5% Nb при температуре 300°С. Оказалось, что при напряжениях 10—14 кгс/мм² показатель степени п в уравнении ε=Αση равен 14; при напряжении от 14 до 21 кгс/мм² п=1, а при более высоких напряжениях п=4. Совершенно иным образом меняется показатель степени п при испытаниях образцов без облучения. Здесь п меняется от 1,5 при 11 кгс/мм² до 6 при 25 кгс/мм².
По данным Е.Р. Джильбера и Б. Мастела, приведенным в работе [129], в диапазоне напряжений 11—30 кгс/мм² скорость ползучести термообработанного сплава Zr— 2,5% Nb не зависит от напряжений. В этой же работе приведены данные Б. Ф. Ибрахима по результатам испытаний труб из холоднодеформированного циркалоя-2, который получил линейную зависимость скорости ползучести от напряжений. Попытка объяснить это явление было предпринята Ф. А. Никольсом [129, 130], о чем будет сказано ниже. П. А. Росс- Росс и С. Е. А. Хант [153] опубликовали данные по ползучести труб из холоднодеформированного циркалоя-2, холоднодеформированного сплава Zr — 2,5% Nb и закаленного, холоднодеформированного и отожженного сплава Zr — 2,5% Nb в реакторах NRU и NPD.
Трубы исследовательских петель проходили через активную зону реактора, содержали тепловыделяющие элементы и омывались водой при температуре 280° С и давлении 97 кгс/см² или кипящей водой при температуре 270° С и давлении 58,5 кгс/см².

Рис. 4.5. Схема распределения деформаций ползучести и нейтронного потока по длине трубы из циркалоя-2.
Внутренний диаметр испытывавшихся труб измерялся при остановке реактора, когда из труб извлекались тепловыделяющие сборки и трубы осушались.

Влияние потока быстрых нейтронов на ползучесть иллюстрирует рис. 4.5, на котором показано распределение потока быстрых нейтронов и деформаций по длине труб из циркалоя-2 в различные периоды. Видно, что форма кривых распределения деформаций и потока быстрых нейтронов по длине трубы подобны. На кривых видны скачки, соответствующие месту расположения концов отдельных тепловыделяющих сборок. На концах трубы прирост внутреннего диаметра существенно меньше, чем в центре трубы.
Скорость ползучести оказывается почти точно пропорциональной плотности потока быстрых нейтронов, а суммарная деформация —  интегральному потоку.
На рис. 4.6, а показаны кривые ползучести трубы из циркалоя-2 в области действия максимального потока быстрых нейтронов. Здесь же приведены характеристики условий испытаний и для сравнения показана кривая ползучести, полученная во внереакторных условиях. На рис. 4,6,6 приведена серия кривых ползучести холоднодеформированного сплава Zr — 2,5% Nb. Зависимости общей деформации ползучести от напряжений для сплавов циркония представлены на рис. 4.7. Из рис. 4.7 видно, что при температуре 270° С эти зависимости практически линейны.
П. А. Росс-Росс предложил [153] зависимость скорости ползучести от напряжений, температуры и плотности потока быстрых нейтронов для сплавов циркония в виде

(4.2)

где ε — скорость ползучести труб в радиальном направлении, ч; σ — кольцевые напряжения, кгс/мм², φ — плотность потока быстрых нейтронов (Е>1 Мэв) нейтрон/(см²-сек)·, Т — температура, °C; k — постоянная.


Рис. 4.7. Зависимость деформации ползучести от напряжений при температуре 270°С и интегральном потоке нейтронов 1021 см-2:
1—циркалой-2 (холодная деформация на 18%);

1. —сплав Zr — 2,5% Nb (термообработанный);
2. —сплав Zr — 2,5% Nb (холоднодеформированный).

Эту работу провели Н. Я. Николенко, Е. Ю. Ривкин, А. М. Каптельцев и др.

Применимость формулы (4.2) ограничивается указанными выше пределами. В общем виде зависимость скорости ползучести от температуры, напряжений и плотности потока быстрых нейтронов записывается в виде
Формула (4.2) справедлива при условиях 250° С ≤Т≤290 °C, 1,0-1013 C3,5-1013, σ0≤14 кгс/мм² для циркалоя-2 и σ0≤21 кгс/мм² для сплава Zr — 2,5% Nb.  
(4.3) где ε — скорость ползучести во внереакторных условиях; f(φ) —функция, отражающая влияние облучения (плотности потока быстрых нейтронов); f(Т) — функция, отражающая влияние температуры; п и р — постоянные.
П. А. Росс-Росс на основании проведенных работ [153] пришел к следующим основным выводам: а) скорость ползучести под действием облучения возрастает в 5—10 раз; б) участок неустановившейся ползучести относительно непродолжителен, и суммарная деформация в пределах этого участка не превышает 0,01 — 0,03%; в) показатель п в уравнении (4.3) равен 1.
Е. Р. Джилберт [87] в реакторных условиях при плотности потока 1013 нейтрон/ (см²-сек) (Е>1 Мэв) и вне реактора провел испытания на ползучесть образцов из сплава Zr — 2,5% Nb при одноосном растяжении при температуре 300—400° С и напряжении 25,6—38,7 кгс/мм². Образцы вырезали из стержня диаметром 12,7 мм, подвергали закалке от 870°С в воду и отжигали при температуре 500°С в течение 24 ч.
Подобно В. Фидлерису, Π. А. Росс-Россу и С. Е. Ханту Е. Р. Джилберт обнаружил увеличение скорости ползучести под действием облучения при температуре ниже 350° С, но не выявил существенной разницы в скорости ползучести облучавшихся и необлучавшихся образцов при более высокой температуре.

Ε. Ρ. Джилберт выразил скорость ползучести в условиях облучения ε в виде суммы двух составляющих:
(4.4) где ε0 — скорость ползучести без облучения, а εi — изменение скорости ползучести вследствие влияния облучения.
По мнению Ε. Р. Джилберта, возможность представления скорости ползучести при облучении в виде суммы двух независимых составляющих позволяет предположить, что ej практически не зависит от напряжений или температуры. Однако это предположение еще не нашло подтверждения и не согласуется с данными других авторов.
При испытаниях на ползучесть непосредственно в реакторе холоднодеформированного циркалоя-2 при плотности потока нейтронов (0,5-1)·1013 нейтрон/(см²-сек) (Е>1 Мэв) при температуре 300° С и малых напряжениях (ε≤7,7 кгс/мм²) было отмечено существенное влияние облучения на скорость ползучести, а также показано, что скорость ползучести облученных образцов, извлеченных из реактора и испытывавшихся во внереакторных условиях, совпадает со скоростью ползучести необлученных образцов. После загрузки образцов в реактор скорость ползучести возрастала и достигала некоторого определенного значения, имевшего место вплоть до извлечения их из реактора, в то время как скорость ползучести образцов, испытывавшихся во внереакторных условиях, постепенно уменьшалась. Скорости ползучести на участке неустановившейся ползучести образцов, испытывавшихся в реакторных и во внереакторных условиях, практически совпадали.
Π. X. Крине и М. В. Виркарт [109] сообщили об уменьшении кривизны изогнутых балок из отожженного и холоднодеформированного циркалоя и из сплава Zr — 2,5% Nb— 0,5% Си в закаленном и отожженном состоянии после облучения в выпрямленном положении. Испытания были проведены при 310 и 60°С при плотности потока быстрых нейтронов 2-1014 (см²Хсек) (Е>1Мэв). Начальные напряжения в балках составляли 3,5—4 кгс/мм². Скорость релаксации напряжений в облучавшихся образцах оказалась существенно выше, чем в контрольных образцах, испытывавшихся без облучения, причем напряжения в холоднодеформированном циркалое релаксировали быстрее, чем в отожженном.
В работе [36] приведены результаты внереакторных и внутриреакторных испытаний и испытаний после облучения в реакторе образцов на растяжение при постоянной заданной скорости деформирования. Образцы вырезали из листа толщиной 10 мм (циркалой-4) в направлении прокатки и в поперечном направлении. Перед испытаниями в реакторе образцы автоклавировали при 360° С в течение 3 суток, а затем облучали при температуре 177—260° С.
При нагружении образцов в реакторе с различными скоростями деформирования были получены кривые деформирования (в пределах до 2%) и определены пределы текучести.
Предел текучести мало зависит от скорости нагружения при отсутствии облучения и выше в поперечном направлении, чем в направлении прокатки. Из сравнения результатов внутрйре- акторных испытаний и испытаний после облучения в реакторе следует, что при сравнительно высоких скоростях нагружения при совпадении интегрального потока облучения пределы текучести в обоих случаях примерно одинаковы. При меньших скоростях нагружения пределы текучести при испытаниях в условиях реакторного облучения оказываются существенно ниже, чем после предварительного облучения в реакторе. Это свидетельствует о том, что облучение наиболее заметно сказывается на результатах испытаний при температуре ~300°С, низких скоростях деформирования и высоких потоках быстрых нейтронов.
В условиях облучения предел текучести в направлении прокатки существенно меньше, чем в поперечном направлении при одинаковых скоростях деформирования.
Ф. А. Никольс [129, 130] проанализировал и обобщил данные о ползучести в реакторных условиях.
Не рассматривая детально предлагаемую им теорию ползучести, укажем на основные выводы, полученные Ф. А. Никольсом. Поведение сплавов он связал с величиной напряжения. Исходя из того, что на ранних стадиях ползучести (малые деформации, высокая скорость деформирования) скорость ползучести в условиях облучения совпадает со скоростью ползучести при испытаниях без облучения при одной и той же температуре и напряжении, Никольс предложил при низком напряжении скорость ползучести выражать в виде суммы скорости ползучести без облучения, слагаемого, учитывающего рост анизотропных сплавов циркония под облучением при напряжении, равном нулю, φ, и слагаемого, учитывающего увеличение скорости ползучести за счет облучения, Βσφ:
(4.5) где ε — скорость ползучести в условиях облучения; ε0 — скорость ползучести без облучения; φ — плотность потока быстрых нейтронов (Е>1 Мэв); σ — напряжение; А, В — постоянные, зависящие от температуры и свойств материала.
С учетом данных Ф. Д. Аззарто, Е. Р. Джилберта и др. [36, 87] Ф. А. Никольс показал, что в области высоких напряжений облучение практически не влияет на скорость ползучести и она определяется скоростью ползучести при отсутствии облучения, т. е. в этом случае также справедлива формула (4.5).

При малом напряжении слагаемое Βσφ играет определяющую роль, т. е. определяет зависимость скорости ползучести от облучения, а слагаемое ε0 мало. При увеличении σ величина ε0 быстро увеличивается и становится преобладающей. Поэтому при высоком напряжении влияние облучения сказывается мало.

Рис. 4.8. Схема зависимости скорости ползучести циркониевых сплавов от напряжения в условиях облучения.

Соотношение для скорости ползучести при средних напряжениях по Ф. А. Никольсу имеет вид где h, λ — характеристики движения дислокаций; D — коэффициент диффузии; μ — модуль сдвига; k — константа Больцмана; Т — температура; с—константа.

(4.6)
Общая схема зависимости скорости ползучести от величины напряжения, предложенная Ф. А. Никольсом, показана на рис. 4.8. Никольс выделяет на ней следующие основные области:
1) область радиационного роста (напряжение равно нулю);

1.  ориентированное выравнивание вакансий и петель дислокаций внедрения;

1. область переползания дислокаций при отсутствии радиационного или деформационного упрочнения (ε~σ10);
2. область усиленного облучением движения краевых дислокаций через препятствия, вызванные облучением (ε~σ в в нижней и ε~σ4 в верхней части области);
3. область уничтожения вызванных облучением препятствий Дислокациями (ε~σ100 после больших доз облучения).

Схема Ф. А. Никольса (см. рис. 4.4) интерпретирует известные экспериментальные данные и хорошо описывает результаты, полученные В. Фидлерисом, Ε. Ф. Ибрахимсом и П. А. Росс-Россом.
В заключение отметим, что при напряжении, допускаемом в трубах технологических каналов (8—12 кгс/мм²), и температуре эксплуатации (260—350° С) облучение существенно ускоряет ползучесть, что необходимо учитывать при проведении соответствующих расчетов.