Содержание материала

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.