Под действием переменных напряжений в деталях из сплавов циркония могут возникать и развиваться усталостные трещины. Переменные напряжения приводят также к росту исходных дефектов. В предыдущих разделах были приведены кривые усталости сплавов циркония в различных состояниях, позволяющие определять с учетом величины амплитуды деформаций число циклов до появления трещин. Располагая данными о закономерностях развития трещин, можно в ряде случаев определить число циклов, увеличивающих дефект до заданного предельного размера или ресурс определенной детали. К числу основных факторов, оказывающих влияние на скорость развития трещин, относятся величина напряжений, асимметрия цикла напряжений и его форма, состояние материала, рабочая среда, температура, частота нагружения.
Скорость развития трещин при циклическом нагружении определяется соотношением [140]
(5.5)
где ΔΚ— изменение коэффициента интенсивности напряжений, характеризующего распределение напряжений в районе вершины трещины; С, п — постоянные материала, зависящие от условий испытаний. По данным работы, показатель п в среднем равен 4. Коэффициент интенсивности напряжений является функцией действующих номинальных напряжений, длины трещины и геометрических размеров (см. гл. 6). По приведенному соотношению может быть вычислена скорость роста трещин, зависящая при прочих равных условиях только от величины Δ/С Отклонение от степенной зависимости между dl/dN и ΔΚ может наблюдаться в области малых значений ΔΚ и при ΔΚ, близких к критическому значению, при достижении которого происходит окончательное разрушение.
Развитие усталостных трещин в циркалое-2 было исследовано в работах [101, 102]. В работе [101] испытания проводили при нагружении одноосным растяжением (пульсирующий цикл) плоских образцов шириной 102—127 мм и толщиной 0,75 и 7,1 мм с односторонним боковым надрезом длиной 12,7 мм. Образцы толщиной 0,75 мм имели наклеп 10%, а образцы толщиной 7,1 мм — 30%. Надрезы на образцах располагали таким образом, что развитие трещин на одних образцах происходило по направлению прокатки, а на других — в поперечном направлении. Наибольшие напряженияв брутто-сечении составляли от 6,1 до 12,4 кгс/мм2.
В работе [102] образцы имели ширину рабочей части 75— 88 мм и толщину от 1,25 до 3,2 мм. На образцы наносили односторонний или центральный надрез длиной ~ 12,7 мм. Основная часть испытаний была проведена при частоте 3—4 цикл/мин. Наибольшие напряжения в брутто-сечении варьировали в пределах 1,9—10,5 кгс/мм2.
Коэффициент интенсивности напряжений вычисляли по формулам:
для центрального надреза в циклическом нагружении.
Таблица 5.4
Механические свойства листового сплава Zr—2,5% Nb
Скорость развития трещины зависит от ориентации трещины по отношению к направлению прокатки. В состоянии поставки скорость развития трещины по направлению прокатки выше, чем перпендикулярно к нему. После отжига имеет место обратное соотношение скоростей развития трещины, а именно dlldN поперек направления прокатки выше, чем по направлению прокатки.
Данные по сплаву Zr —2,5% Nb и циркалою-2 отличаются по характеру влияния отжига и холодной деформации. Отжиг циркалоя-2, как отмечалось, снижает скорость развития трещин. Скорости развития трещин в рассмотренном интервале значений ΔК от 50 до 200 кгс/мм3/2 в сплавах Zr — 2,5% Nb и циркалое-2 по порядку величины совпадают.
В работе [158] не было обнаружено заметного различия в скорости развития трещин при синусоидальном и пилообразном цикле напряжений. При наклепе до 10% циркалоя-2 не было отмечено влияния ориентации трещины по отношению к направлению прокатки. Влияние наклепа сказывалось лишь при скоростях dl/dN>2,5-10-2 мм/цикл, в этой же области при достаточно высоких ΔК наблюдалось резкое увеличение скорости роста трещин при испытании образцов в воде. Слабое влияние среды при ΔК≤300 кгс/мм3/2 объяснялось тем, что испытания проводились при комнатной температуре на воздухе с относительной влажностью 20—40%, что было достаточно для достижения состояния насыщения по влиянию водяной среды на скорость роста трещин. Сопоставляя данные по влиянию холодной деформации на 30—35% и ориентации трещин (см. табл. 5,4), можно видеть, что скорость развития трещин по направлению прокатки ниже, чем поперек прокатки, что не согласуется с данными, полученными для сплава Zr — 2,5% Nb.
Повышение температуры испытаний до 130 и 300° С увеличивало скорость роста трещин по сравнению с комнатной температурой. При низких ΔК вследствие различия в показателях п более высокая скорость роста трещин наблюдалась при 300° С, а при высоких ΔК— при температуре 130° С.
На рис. 5.9 приведены полученные данные по циркалою-2 [102], которые характеризуют влияние различных факторов на
скорость развития трещин. Влияние рассмотренных факторов можно охарактеризовать в целом коэффициентом 2, примерно во столько раз наибольшие значения dl/dN превышали наименьшие при равных ΔΚ в диапазоне ΔΚ=50-300 кгс/мм2/2.
Можно полагать, что такое различие не является предельными значения скорости развития трещин в указанном интервале ΔΚ будут изменяться с уменьшением частоты нагружения в условиях контакта с водой или паром при повышенной температуре.
Интересные данные по развитию трещин в трубах из сплава Zr — 2,5% Nb при циклическом нагружении внутренним
давлением были получены в работе [139]. Образцы из труб с наружным диаметром 53,4 мм и толщиной стенки 3,55— 4,57 мм имели длину 406 мм. На большинстве образцов надрезы создавали на наружной поверхности электроискровым методом. Надрезы, располагавшиеся вдоль образующей образцов, имели ширину 0,18—0,2 мм и выполнялись в форме полукруга радиусом 0,6—3,2 мм с центром на наружной поверхности. Глубину надрезов изменяли от 15 до 80% толщины стенки. По одному образцу было сделано с прямоугольным надрезом на наружной поверхности и с полукруглым надрезом на внутренней поверхности. Нагружение проводили при комнатной температуре и отношении кольцевых напряжений к осевым 2:1. Длину трещин измеряли на наружной поверхности. Трубы были обработаны по режимам: а) закалка в воде от 880° С, обжатие до 15% и отжиг при 500°С в течение 5 ч; б) холодная деформация на 30 и 60%. Наибольшие кольцевые напряжения составляли 16,2 кгс/мм2, амплитуда была равна 7,5 кгс/мм2. При проведении испытаний было отмечено, что число циклов до возникновения усталостных трещин в концах надреза обратно пропорционально квадрату длины надреза, измеренной на наружной поверхности.
Результаты испытаний приведены в табл. 5.5.
Таблица 5.5
Влияние размера надреза на возникновение и рост трещин
Радиус надреза, мм | Число циклов до возникновения трещин | Число циклов до появления течи | Длина трещин при появлении течи, мм | Число циклов до разрушения | Длина трещин при разрушении, мм |
3,2 | 5 300 | 9 695 | 10,9 | 18628 | 34,8 |
2,5 | 10 000 | 17 400 | 10,7 | 24960 | 33,2 |
1,9 | 4 5 000 | 28 400 | 10,4 | 351554 | 27,4 |
1,27 | 22 000 | 40 550 | 10,4 | 471199 | 24,2 |
0.69 | 94 000 | 114 900 | 9,6 | 1211550 | 26,6 |
Из табл. 5.5 следует, что длина трещины по наружной поверхности труб превышала примерно в два раза толщину стенки, число циклов от момента появления течи до окончательного разрушения составляло 6500—9000 и уменьшалось с уменьшением размеров исходного надреза, что сопровождалось также уменьшением длины трещины перед окончательным разрушением. Трещина в изломе имела круговую форму, в том числе и в случае исходного прямоугольного надреза. Развитие трещины от надреза радиусом 3,2 мм со стороны внутренней поверхности проводили при амплитуде напряжений 6,5 кгс/мм2, течь была обнаружена при длине трещины по наружной поверхности 3 мм, а перед окончательным разрушением длина трещины была 52 мм, т. е. больше, чем при наружных надрезах. Кинетика трещин исследовалась при частоте 400 циклон на четырех образцах при амплитуде напряжений 7,5 кгс/мм2. Кроме того, были испытаны образцы при амплитуде напряжений 7,0; 8,8 и 11,4 кгс/мм2. Результаты описывались степенной зависимостью (5.5) с показателем степени п≤5. На рис. 5.9 показана полученная зависимость (кривая 6). Изменение коэффициента интенсивности напряжений было определено по формуле ΔΚ= где Δσθ — размах кольцевых напряжений σθ, а I — половина длины трещины на наружной поверхности. Зависимость скорости развития трещин (кривая 6 на рис. 5.9) располагается выше кривой 2 для отожженного циркалоя-2 на рис. 5,8 при соответствующих значениях ΔΚ, но ниже кривой 1 для холодподеформированного на 35% циркалоя-2 на рис. 5.8 и примерно на уровне значений, полученных на образцах из отечественного сплава Zr — 2,5% Nb в термообработанном состоянии.
Холоднодеформированные и закаленные трубы из сплава Zr — 2,5% Nb были испытаны при частоте 3000 цикл/ч в наводороженном (0,02—0,03% Н2) состоянии с надрезом на наружной поверхности (радиус 3,2 мм).
Результаты также описывались степенной зависимостью (5.5) с показателем степени 4. Из графика зависимости, показанного на рис. 5.9 (кривая 7), следует, что наводороживание незначительно повлияло на характеристики развития трещин в исследованной области изменения ΔК, как и в случае испытаний циркалоя-2 (см. рис. 5.8). Длина трещин перед окончательным разрушением была меньше, чем в ненаводороженных трубах, и составляла 11,7—30,5 мм при максимальных напряжениях цикла 12,3—18,3 кгс/мм2 соответственно. Влияние различных факторов на критические размеры дефектов подробно рассмотрено в гл. 6.
Оценим по имеющимся данным скорость роста сквозного дефекта типа усталостной трещины, например, длиной 2l= 10 мм, ориентированного по образующей трубы из циркониевого сплава диаметром 88 мм с толщиной стенки 4 мм. Пусть труба нагружается в упругой области внутренним давлением, изменяющимся по пульсирующему циклу, при наибольшем кольцевом напряжении σ=10 кгс/мм2. Такой уровень напряжений допускается в трубах из циркониевых сплавов исходя из запасов прочности по пределу текучести или из условия ограничения перемещений, обусловленных ползучестью при температуре 300o С, По формулам, приведенным в работе [77], изменение коэффициента интенсивности напряжений на поверхности трубы с учетом ее изгиба и растяжения в зоне дефекта составляет 48 кгс/мм, где Δσθ—размах кольцевых напряжений σθ, что на 25% превышает изменение коэффициента интенсивности напряжений, подсчитанного
для тех же значений наибольшего напряжения и размера дефекта по формуле для бесконечной пластины, нагруженной одноосным растяжением перпендикулярно к направлению дефекта
Наибольшая скорость движения трещины при ΔK=48 кгс/мм3/2 по данным рис. 5.8 и 5.9 составляет 7-104 мм/цикл (циркалой-2, холодная деформация на 35%). Из имеющихся данных следует, что повышение температуры до 300°С и водяная среда в этой области изменения ΔΚ незначительно влияют на скорость развития трещины, а соответствующие значения dl/lN оказываются меньше 7-10-4 мм/цикл. Скорость роста трещин в трубах (см. рис. 5.9) при заданном ΔΚ также не превышает 7-10—4 мм/цикл. Увеличение длины трещины составит за 1000 циклов нагружения всего 0,7 мм. Увеличение ΔR за счет полученного изменения длины трещины является незначительным и может в первом приближении не учитываться. Соответственно прирост размеров исходных дефектов, меньших рассмотренного, окажется еще ниже. Имеется, однако, целый ряд факторов, влияние которых еще не получило исчерпывающего освещения в связи с кинетикой дефектов и трещин в сплавах на основе циркония и сварных швах. К их числу относятся совместно действующие паровая или водяная среды при рабочей температуре каналов ядерных реакторов, облучение, наводороживание при возможной неблагоприятной ориентации гидридов.