Прочность сплавов циркония - Расчетные кривые усталости сплавов циркония

Расчетные кривые усталости для углеродистых, низколегированных и аустенитных хромоникелевых сталей в области температуры, в которой ползучесть еще не проявляется, получают введением запасов прочности 2 по деформациям или 20 по числу циклов к кривой усталости по моменту разрушения в зависимости от того, какой запас является определяющим в соответствующей точке кривой усталости [34].
На рис. 5.7,а показаны полученные таким образом расчетные кривые усталости для необлученного и облученного циркалоя-2 [134]. Кривая для необлученного циркалоя-2 может быть использована для расчетов на прочность при интегральных потоках нс выше 1019 нейтрон/см² (Е>0,625 Мэв).
Влияние средних деформаций, соответствующих практически действующим в деталях амплитудам деформаций и коэффициентам асимметрии, при циклическом нагружении в упругопластической области невелико [158, 183].
При амплитудах деформаций (напряжений), не выходящих за пределы упругости, необходимо учитывать влияние средних напряжений на сопротивление усталостному разрушению. В нормах США на котлы и сосуды высокого давления [34] влияние средних напряжений учитывается только при амплитудах напряжений ниже предела текучести. Расчетные кривые усталости в работе [34] откорректированы в области σα<σ0,2 с учетом наибольшего влияния среднего напряжения цикла, достигаемого при максимальном напряжении цикла, равном пределу текучести. Дальнейшего повышения максимального напряжения не происходит вследствие развития пластических деформаций.
Приняв, что уменьшение амплитуды напряжений с ростом среднего напряжения происходит линейно от ее значения при симметричном цикле до нуля при среднем напряжении, равном пределу прочности [134],
получаем при(5.3)

а при (5.4).

 
Корректировка кривой усталости для симметричного цикла с использованием статического предела текучести является недостаточной для упрочняющихся материалов, у которых предел текучести по диаграмме циклического деформированияпревышает статический предел текучести σ0,2, поскольку возможное среднее напряжение в этом случае увеличивается. Для таких условий корректировка амплитуд деформаций с учетом асимметрии цикла проводится по приведенной формуле, в которой σ0,2 заменяется на
На рис. 5.3 показаны кривые усталости циркалоя-2 при симметричном цикле нагружения, а пунктирной линией нанесены участки кривых усталости, в пределах которых влияние асимметрии цикла напряжений имеет место. Учет асимметрии цикла нагружения произведен на основе циклического предела текучести

На рис. 5.3,б приведены также данные испытаний, в которых проверялся эффект асимметрии цикла нагружения. Предельные значения наибольших напряжений цикла, равные пределу текучести, создавали различными способами, при которых либо первоначально задавали образцу среднюю деформацию 1%, либо соответствующая средняя деформация накапливалась от цикла к циклу. Представленные на рис. 5.3,б данные, а также результаты работы [126] подтверждают возможность применения такого метода учета влияния средних напряжений.
Соответствующая корректировка расчетных кривых усталости циркалоя-2 проведена на рис. 5.7. Участки влияния асимметрии цикла по напряжениям показаны пунктирной линией.
Определение долговечности по расчетным кривым, откорректированным с учетом наибольшего влияния средних напряжений, т. е. когда наибольшее напряжение цикла принимается равным пределу текучести, следует проводить по амплитуде упруго-пластической деформации без учета асимметрии цикла по напряжениям. Приведенные на рис. 5.5 расчетные кривые усталости применимы к сплавам типа циркалой [134].
По результатам испытаний сплава Zr — 2,5% Nb, термообработанного по различным режимам и наводороженного, может быть получена расчетная кривая усталости для оценки допускаемой циклической долговечности при заданных амплитудах деформации, определяемых эксплуатационными нагрузками, или при допускаемой амплитуде деформаций для заданного числа циклов нагружения.
На рис. 5.7,6 приведена кривая усталости 3 по появлению трещин при комнатной температуре для сплава Zr — 2,5% Nb, отожженного в вакууме при 960° С в течение 5 мин. Сплав в этом состоянии обладает наименьшим сопротивлением усталостному разрушению (см. рис. 5.2). Как было показано ранее, наводороживание до 0,02% сплава Zr — 2,5% Nb в указанном состоянии при ориентации гидридов ± не привело к уменьшению разрушающих амплитуд по сравнению с исходным состоянием как по появлению трещин, так и по разрушению.
Из рис. 5.2 и 5.5 следует, что число циклов до полного разрушения образцов превышало число циклов до появления трещин примерно в два раза в области малого числа циклов, а при увеличении долговечности различие между циклами до появления трещин и полного разрушения уменьшалось. Поэтому при построении расчетной кривой усталости запас прочности по числу циклов можно принять равным 10 и по деформациям 2, если в качестве исходной использовать кривую усталости по появлению усталостных трещин.
На рис. 5.7, б представлена расчетная кривая усталости 4 сплава Zr — 2,5% Nb для температуры 315°С и симметричного цикла нагружения (сплошная линия), полученная как огибающая кривых усталости, построенных с учетом запаса 10 по числу циклов и запаса 2 по деформациям. Кроме того, амплитуды деформаций с целью учета влияния температуры на сопротивление разрушению умножены на коэффициент 0,82, равный отношению модулей упругости при 300 и 20° С, которые приняты 0,74·104 и 0,9·104 кгс/мм² соответственно, как это рекомендовано в работе [34]. Расчетные кривые сплавов Zr— 2,5% Mb и циркалоя-2 при симметричном цикле по существу не отличаются.
Пределы прочности и текучести сплава Zr — 2,5% Nb существенно зависят от термообработки сплава. Для сплава Zr — 2,5% Nb, отожженного при 960° С, предел прочности при 300— 350° С составляет 23—27 кгс/мм², а предел текучести 16,5— 22 кгс/мм². Пунктирной линией на рис. 5.7,6 проведен участок расчетной кривой усталости, полученный с учетом влияния асимметрии цикла, при этом предел прочности и текучести принимали равным 27 и 22 кгс/мм². При увеличении предела текучести или снижении предела прочности следует провести новую корректировку кривых усталости по формулам (5.3) и (5.4).
Из расчета деформаций в свариваемых методом диффузионной сварки переходных соединениях труб из нержавеющей стали и циркониевого сплава, циркониевая часть которых при сварке подвергается отжигу, вызванному нагревом до 900— 980° С, амплитуды деформаций при циклическом изменении температуры в диапазоне 20—300°С равны 0,25—0,3%. Этим деформациям по расчетной кривой усталости соответствуют допускаемые числа циклов 600—1200, определяемые сопротивлением появлению усталостных трещин в части переходного соединения из сплава на основе циркония.
При действии облучения пластичность циркониевых сплавов уменьшается и можно ожидать дальнейшего снижения долговечности при циклическом нагружении. Для получения данных о совместном влиянии наводороживания и облучения необходимо провести дополнительные исследования.