Прочность сплавов циркония - Инициирование трещин

Температура торможения трещин в циркониевых наводороженных сплавах достаточно высока, поэтому при эксплуатации конструкций из циркониевых сплавов могут возникать условия, когда начавшая развиваться трещина не сможет затормозиться и приведет к хрупкому разрушению. Поэтому основные усилия исследователей были направлены на изучение условий инициирования трещин. Требовалось получить соотношения между напряжениями, размерами дефектов и температурой эксплуатации, гарантирующими предупреждение развития дефектов до критических размеров при однократном нагружении. Прямой ответ давали испытания конструкций из циркониевых сплавов.
В работах [35, 179] приведены результаты исследования сопротивления разрушению труб реактора SGHWR из холодно- деформированного циркалоя-2. Испытывали отрезки труб диаметром 127 мм, толщиной 5,1 мм, в которых электроискровым методом создавали сквозные надрезы различной длины. Трубы нагружали внутренним давлением. При температуре испытаний ниже 150° С надрезы уплотнялись резиновыми пластинками, а при более высокой температуре — специальными алюминиевыми втулками, вставленными внутрь испытуемых труб. С торцов трубы уплотняли специальными головками. Трубы испытывали в исходном состоянии с содержанием водорода 0,02 и 0,04%.
При 300° С ненаводороженные трубы разрушались вязко путем среза по плоскостям скольжения. Наводороженные трубы разрушались квазихрупко путем отрыва с небольшими следами сдвига в изломе.
При 20° С разрушение ненаводороженных труб носило смешанный характер, а при содержании водорода 0,04% — квази- хрупкий. При повышении температуры испытаний характер разрушения постепенно менялся. Но при содержании водорода 0,04% и температуре 200° С разрушение все еще было квази-хрупким.
Зависимости разрушающих напряжений от длины надреза приведены на рис. 6.2. Видно, что наводороживание особенно сильно понижает сопротивление разрушению холоднодеформированного циркалоя-2 при температуре 20° С. При 300° С влияние наводороживания существенно меньше. Качественно картина влияния водорода совпадает с выявленной при испытаниях на ударную вязкость.
На рис. 6.3 а, б, в (по данным работы [127]) показано влияние температуры на разрушающие напряжения при различных уровнях наводороживания. Снижение разрушающих напряжений с повышением температуры для ненаводороженных труб, по-видимому, связано со снижением предела текучести. При наводороживании разрушающие напряжения увеличиваются с повышением температуры.

Анализируя на основании полученных данных работоспособность труб реактора SGHWR, Р. В. Никольс и Б. Уоткинс [ 127J отмечают, что для рабочего уровня напряжений (11 кгс/мм²) в трубах этого реактора даже при наихудших условиях (температура 20° С и степень наводороживания 0,04%) критический сквозной дефект составляет ~50 мм. Учитывая также, что напряжения в трубах реактора SGHWR повышаются до наибольших значений одновременно с ростом температуры, Р. В. Никольс и Б. Уоткинс считают, что существует достаточная гарантия того, что хрупкое разрушение труб реактора SGHWR невозможно.
А. Кован и В. Д. Лангфорд [55] приводят результаты исследования влияния облучения и наводороживания на сопротивление разрушению труб из циркалоя-2 реактора «Дуглас- Пойнт». Испытывали горячекатаные и холоднодеформированные на 18% трубы с внутренним диаметром 92,5 мм и толщиной стенки 4,2 мм. Трубы наводорожи- вали до 0,02% 24 ч в растворе LiOH при 360° С и давлении 190 кгс/см². Гидриды были ориентированы в кольцевом направлении. Наводороженные и ненаводороженные трубы в ненапряженном состоянии облучали на воздухе при 300°С в интегральном потоке 2,3-1020 нейтрон/см² (Е>1 Мэв). Внутри труб были размещены образцы для определения механических свойств и испытаний на статический изгиб (т. е. для определения раскрытия трещины). Образцы для определения раскрытия трещины имели размеры 46,5X10X4,2 мм с надрезом шириной 0,2 мм и глубиной 2 мм. Три образца были вырезаны из трубы, облученной в течение 11 000 ч при 280° С и нагруженной внутренним давлением. Кольцевые напряжения в трубах составляли 9,5 кгс/мм². Интегральный поток нейтронов был 7-1020 см-2, концентрация Н2 в трубах составляла 0,0033%.

Кроме того, были испытаны трубы, извлеченные из реактора NPD, с внутренним диаметром 82,5 мм, толщиной стенки 4,32 мм, изготовленные из холоднодеформированного на 17% циркалоя-2. Эти трубы проработали в реакторе 5 лет при температуре 252—273° С. Кольцевые напряжения в трубах равнялись 7 кгс/мм², максимальный интегральный поток достигал 1,2-1021 нейтрон/см², концентрация водорода — 0,0027%. В трубах создавали сквозные надрезы электроэрозионной обработкой, а затем нагружали внутренним давлением до разрушения.
Полученные А. Кованом и В. Д. Лангфордом [55] зависимости приведены на рис. 6.4. При 300° С трубы разрушались вязко, а при 20° С разрушение носило хрупкий или квазихрупкий характер.
Облучение ненаводороженных труб реактора «Дуглас-Пойнт» увеличивало разрушающие напряжения по сравнению с необлученными при надрезах одинаковой длины. Этот эффект был более заметен при 300° С, чем при 20° С. Очень слабое влияние облучения при комнатной температуре на разрушающие напряжения труб из циркалоя-2 было также отмечено в работе [35]. Наводороживание до 0,02% заметно уменьшает напряжения разрушения необлученных труб при 20° С, но мало сказывается при температуре 300° С.

Совместное влияние облучения и наводороживания изменяется с температурой. При 20° С влияние наводороживания превалирует. 

Ряс. 6.4. Влияние облучения и наводороживания при 20 и 300° С на зависимость разрушающего напряжения от длины, трещины:
1 — исходное состояние; 2 —облучение Ф=2,3·1020 нейтрон/см², 3 — наводороживание до 0.02%; 4 — облучение Ф=2,3 · 1020 нейтрон/см² и наводороживание до 0,02%.
При 300° С наводороживание снижает разрушающие напряжения для облученных образцов, но не в такой степени, как при 20° С. При 300° С существенным оказывается упрочняющее влияние облучения, поэтому сопротивление разрушению облученных и наводороженных труб при этой температуре выше, чем необлученных.
В табл. 6.6 для сравнения приведены данные о влиянии облучения на разрушающие напряжения труб с надрезом мм при температуре 300° С.

Таблица 6.6
Влияние облучения на разрушающие напряжения в трубах реактора «Дуглас-Пойнт»

В отличие от труб реактора «Дуглас-Пойнт» при температуре 20° С разрушающие напряжения облученных наводороженных труб для реактора NPD оказались ниже, чем для необлученных ненаводороженных, хотя трубы реактора NPD получили существенно большую дозу облучения и соответственно большее упрочнение. Возможно, это связано с повреждениями, вызванными ползучестью труб в реакторе NPD в течение пятилетнего срока их эксплуатации. Однако отсутствие подобного эффекта при испытаниях труб при температуре 300°С осталось необъявленным.
В работе [55] исследовано влияние ориентации гидридов, повышенного содержания водорода и поверхностных дефектов на сопротивление разрушению циркалоя-2 и показано, что при 300° С и высоком содержании водорода (до 0,1%) критическая длина трещины в трубах реактора SGHWR при напряжении 11,2 кгс/мм² составляет  100 мм.
Наводороживание с ориентацией гидридов в радиальном направлении существенно снижает сопротивление разрушению труб из циркалоя-2 при температуре 20° С, но мало сказывается при температуре 300° С (см. рис. 6.2). Расчетным путем по величинам вязкости разрушения Ккр, определенным на образцах с надрезом [154] для наводороженных до 0,04% с радиальной ориентацией гидридов и облученных труб, были определены для различных напряжений критические размеры поверхностной полуэллиптической трещины (табл. 6.7). Как видно, в трубах реактора SGHWR при напряжении 11,2 кгс/мм² поверхностные трещины становятся критическими при длине 254 мм и глубине 2,54 мм.

Таблица 6.7
Критические размеры поверхностной трещины в трубах для различных напряжений

В табл. 6.8 приведены результаты исследования влияния облучения на сопротивление разрушению труб из циркалоя-2 при различной температуре. Трубы диаметром 25,4 мм с толщиной стенки 1,5 мм облучали в интегральном потоке (l-70)Х1019 нейтронам². Изменение интегрального потока в указанных пределах не оказало влияния на сопротивление разрушению.

Таблица 6.8
Влияние облучения на разрушающие напряжения для различной температуры (°C) труб из циркалоя-2 со сквозным надрезом длиной 12,7 мм

Из табл. 6.8 следует, что облучение повышает сопротивление разрушению ненаводороженных труб. Разрушающие напряжения для наводороженных труб под действием облучения понижаются в области 20—200° С, а при более высокой температуре совпадают с соответствующими значениями для ненаво- дороженных труб.
Б. Уоткинсом [181] подведены некоторые итоги изучения сопротивления разрушению труб реактора SGHWR. В этом реакторе были использованы трубы из холоднодеформированного на 30% циркалоя-2 с внутренним диаметром 128±0,25 мм, толщиной 4,7 мм, длиной 4660 мм, нагруженные до напряжения 11 кгс/мм².

Таблица 6.9
Критическая длина трещины для труб из циркалоя-2

В табл. 6.9 приведены значения критической длины трещины в трубах при различной ориентации гидридов и напряжении 11 кгс/мм². В работе [138| исследовали сопротивление разрушению труб из сплава Zr —2,5% Nb при нагружении внутренним давлением при комнатной температуре. Основные результаты испытаний приведены в табл. 6.10. Объем полученных данных недостаточен, кроме того наблюдается разброс данных, однако некоторые выводы все же можно сделать.

Таблица 6-10.
Критическая длина трещины в трубах из сплава
Zr—2,5% Nb

Наводороживанне существенно снижает критическую длину трещины в закаленных трубах. Критическая длина трещины для закаленных труб сплава Zr — 2,5% Nb существенно ниже, чем для циркалоя-2. Для холоднодеформированных труб даже после наводороживания критическая длина трещины больше, чем у закаленных ненаводороженyых труб. У холоднодеформированных труб из сплава Zr — 2,5% Nb критическая длина
трещины также меньше, чем у циркалоя-2, но нt в такой степени, как для закаленных труб. 

Рис. 6.5. Изменение критической длины трещины, интегрального потока и концентрации водорода в трубах из циркалоя-2 в процессе эксплуатации реактора.

Рис. 6.6. Зависимость разрушающих напряжений и критической длины трещины для труб из циркониевых сплавов:
1 — циркалой-2; 2 — расчетная кривая и экспериментальные данные (X) для сплава Zr — 2,5% Nb.
На холоднодеформированные трубы заметно влияет облучение. При эксплуатации важно представлять кинетику наводороживания и облучения, чтобы правильно оценить величину критического дефекта. На рис. 6.5, 6.6 показано возможное изменение интегрального потока нейтронов и степени наводороживания труб из циркалоя-2 в реакторе SGHWR, а также изменение критической длины трещины. Концентрация водорода 0,02% может быть уже после 15 лет эксплуатации и 0,04% — после 30 лет.

В ряде работ было исследовано сопротивление разрушению циркониевых сплавов по критерию раскрытия трещин. В работе [83] проводились измерения раскрытия трещин в трубах диаметром 127 мм и толщиной 5,1 мм из циркалоя-2, нагружавшихся внутренним давлением, а также в небольших образцах, вырезавшихся из разрушенных труб, при статическом изгибе.
За критическую величину раскрытия трещин принималось раскрытие трещин либо в момент разрушения образца, либо в момент достижения максимальной нагрузки. Это состояние —  начало падения нагрузки до окончательного разрушения образца — было характерным для пластичных материалов. Результаты испытаний приведены в табл. 6.11.

Результаты испытаний труб и образцов из сплава циркалой-2

Таблица 6.11

Как видно из табл. 6.11, величина раскрытия трещины в образцах несколько меньше величины раскрытия трещины в ненаводороженных трубах. В наводороженных образцах соответствие между величинами раскрытия трещин в трубах и образцах существенно лучше. По раскрытию трещин в образцах рассчитаны разрушающие напряжения, которые оказались близкими к экспериментальным значениям.
В табл. 6.12 приведены результаты определения критического раскрытия трещин в образцах из циркалоя-2, облученного при температуре 300° С в интегральном потоке (1,7-2,7)·1018 нейтрон/см² при напряжении 11 кгс/мм².
В табл. 6.12 приведены также величины критической длины трещины при напряжении 11 кгс/мм² и температуре 300° С. Из таблицы видно, что влияние наводороживания существенно при температуре 20° С. При более высокой температуре оно невелико. Размеры критической трещины таковы, что трудно ожидать наличия в исходном состоянии или возникновения дефектов подобных размеров в трубах каналов реакторов.
Наводороживание и облучение снижают критическое раскрытие трещины даже при температуре 300° С (табл. 6.13). Эти данные получены для циркалоя-2 на образцах, вырезанных из труб, испытанных при трехточечном изгибе, после облучения в интегральном потоке (2,94-9,3)-1020 нейтрон/см². [86].

Таблица 6.12
Значения критической величины и раскрытия трещины в трубах из циркалоя-2

Таблица 6.13
Влияние наводороживания и облучения на раскрытие трещины при различной температуре (°C)

Было исследовано сопротивление разрушению сплава Zr — 2,5% Nb отечественного производства.
В. М. Маркочев, В. Ю. Гольцев, Е. Ю. Ривкин и А.М. Васнин испытывали образцы из листа толщиной 4 мм в состоянии поставки и после отжига при 550° С в течение 5 ч. Механические свойства листов при комнатной температуре приведены в табл. 5.5. Образцы для нагружения растяжением длиной 300 мм, шириной 100 мм имели центральный надрез с усталостной трещиной на концах надреза, а образцы для статического изгиба длиной 55 мм и высотой 11 мм —боковой надрез также с усталостной трещиной. В процессе испытаний при комнатной температуре измеряли нагрузку, действующую на образец, рост трещины и ее раскрытие в момент страгивания. Результаты испытаний приведены в табл. 6.14.
Таблица 6.14
Результаты испытаний образцов с центральной трещиной из сплава Zr — 2,5% Nb

Напряжения в нетто-сечении образцов с центральным надрезом превышают предел текучести материала уже при страгивании трещины и приближаются к пределу прочности. Перед вершиной надреза или трещины в процессе нагружения образовывались отчетливо видимая зона утяжки — пластической деформации. Трещина после страгивания в образцах в исходном состоянии намного продвигалась вперед, и затем разрушение происходило по плоскостям скольжения.
Из табл. 6.14 следует, что раскрытие трещины в момент ее страгивания практически не зависит ни от типа образца, ни от длины трещины.
Е. Ю. Ривкиным и А. А. Васниным были проведены также испытания при комнатной температуре труб из Zr—2,5% Nb диаметром 63 мм с толщиной стенки 4 мм при нагружении внутренним давлением. Механические свойства труб, отожженных при 550° С, в течение 5 ч следующие: σ0,2 = 30 кгс/мм², σв = 50 кгс/мм², δ=12%.
Образцы представляли собой отрезки труб длиной 300 мм с центральным продольным сквозным надрезом с радиусом в вершине 0,06—0,08 мм. Для уплотнения внутрь образца в зоне надреза вставляли пластину из нержавеющей стали толщиной 0,5—1 мм, а сверху приклеивали герметизирующую резину толщиной 3—4 мм. Раскрытие трещины измеряли с помощью датчиков— скоб, прирост длины трещины —с помощью проволочных датчиков последовательного разрыва. Результаты испытаний приведены в табл. 6.15. 

Таблица 6.15
Результаты испытаний труб из сплава Zr — 2,5% Nb

На рис. 6.6 показана зависимость между разрушающим напряжением и критической длиной трещины. Здесь же для сравнения приведены подобные зависимости для циркалоя-2, а также расчетная кривая для сплава Zr —2,5% Nb.
Из полученных зависимостей следует, что раскрытие трещины, соответствующее моменту ее страгивания, практически не зависит от длины трещины и составляет 0,52—0,65 мм. Это значение достаточно близко к величине раскрытия трещины, полученной при испытаниях как термообработанных листовых образцов с надрезом, так и труб вдоль направления прокатки, и равно 0,43—0,6 мм. Эти данные свидетельствуют о возможности использования раскрытия трещины в момент начала ее движения для оценки склонности материала к разрушению.
Сопротивление разрушению труб из сплава Zr — 2,5% Nb ниже, чем из циркалоя-2, хотя все же находится на достаточно высоком уровне. В процессе нагружения трещина практически не растет, а только притупляется. Разрушение происходит в зоне концентрации напряжений в углах притупившейся трещины и имеет вязкий характер.

Рассмотрим вопросы расчета разрушающих напряжений в трубах из циркониевых сплавов. Напряженное состояние в вершине трещины в цилиндрической оболочке отличается от напряженного состояния в плоской пластине по двум причинам: кривизна оболочки и выпучивание ее при нагружении на участке с трещиной. Для расчета цилиндрических оболочек с трещинами была предложена простая схема, которая впоследствии была теоретически обоснована Е. С. Фолиэзом [86]. Основная предпосылка состояла в замене цилиндрической оболочки пластиной (из того же материала, той же толщины со сквозной трещиной тех же размеров, что и в оболочке), нагруженной растягивающими усилиями, создающими в пластине напряжения σ, связанные с кольцевыми напряжениями в оболочке % соотношением
(6-5), где М — функция длины трещины 2l, радиуса оболочки R и толщины стенки 5.
С учетом этого обстоятельства и соотношения между раскрытием δкр и вязкостью разрушения Ккр имеем
(6.6)
где
Р, s — средний радиус и толщина оболочки соответственно. Эта формула достаточно точно описывает зависимости, приведенные на рис. 6.6 для циркалоя-2 и сплава Zr — 2,5% Nb при напряжениях ниже предела текучести. Поскольку зависимости на рис. 6.6 построены для материалов при температуре выше критической температуры хрупкости и находятся в хорошем согласии с экспериментальными данными, можно расширить область применения формулы (6.6) и использовать ее для расчета труб из циркониевых сплавов при температуре выше критической.
Подводя итоги исследованиям сопротивления разрушению циркониевых сплавов можно отметить следующее. Имеющиеся данные свидетельствуют, что рассмотренные циркониевые сплавы в эксплуатационных условиях обладают достаточно высоким сопротивлением разрушению, позволяющим использовать их в конструкциях реакторов. Вместе с тем в настоящее время не представляется возможным сформулировать окончательную методику расчета сопротивления разрушению прежде всего из- за отсутствия достаточного объема экспериментальных данных. В дальнейшем основные усилия следует направить на изучение кинетики дефектов при циклическом и длительном статическом нагружении с учетом влияния среды. Эти данные и имеющиеся сведения о критических состояниях деталей из циркониевых сплавов позволят оценить опасность возникающих при изготовлении и эксплуатации дефектов.