Прочность сплавов циркония - Заключение

Изложенные в книге данные по прочности сплавов на основе циркония и их зависимости от различных факторов (температуры, наводороживания, облучения и др.) могут быть использованы при проведении расчетов на прочность и оценке работоспособности деталей и элементов конструкций ядерных реакторов, изготовленных из циркониевых сплавов.
При оценке прочности и ресурса деталей, изготовленных из сплавов циркония, в самом общем случае используют величины предела текучести и предела прочности, предела длительной прочности и ползучести, характеристики сопротивления циклическому и хрупкому разрушению. В зависимости от условий нагружения (температуры, среды, облучения, характера нагрузки, длительности нагружения) какая-либо из перечисленных характеристик прочности оказывается определяющей. Например, размеры труб технологических каналов из сплавов на основе циркония, предназначенных для работы при различной температуре, определяются кратковременными механическими свойствами (пределом текучести или пределом прочности в зависимости от упрочнения за пределом текучести) или характеристиками длительного статического сопротивления (пределом длительной прочности или ползучести).
При расчете на ползучесть исходят из недопустимости пластической деформации выше предельной. Это предельное значение может определяться требованием последующей разбираемости конструкции при ремонте, обеспечением заданных условий теплопередачи между элементами конструкции и исключением возможности их перегрева, а также обеспечением теплосъема с тепловыделяющих сборок в технологических каналах на заданном уровне в условиях возрастания проходного сечения в результате ползучести.
Расчеты на сопротивление хрупкому разрушению и усталость проводят с целью определения ресурса детали с учетом действия нейтронного облучения и циклических нагрузок, наличия дефектов и их роста при эксплуатации.
Характеристики кратковременной прочности в результате наводороживания и облучения возрастают, как показано в гл. 3, но это увеличение не учитывается при выборе основных размеров деталей из сплава циркония.
Скорость ползучести сплавов на основе циркония заметно возрастает при нейтронном облучении, причем особенно сильное влияние облучения на скорость ползучести наблюдается в области температуры и напряжений, характерных для реальных конструкций. Влияние наводороживания на ползучесть зависит от температурного режима нагружения и химического состава сплава. Неизотермический режим нагружения ускоряет ползучесть наводороженного сплава Zr — 2,5% Nb по сравнению с изотермическим нагружением при максимальной температуре. Имеющиеся данные по внутриреакторной ползучести показывают, что исходные характеристики ползучести сплава, как правило, определяют его поведение в условиях облучения. Поэтому применение оптимального режима механической и термической обработки, определение наилучшего состава сплава могут обеспечить скорость ползучести при облучении не выше допускаемой.
Циклическое действие напряжений в зависимости от переменных механических условий, перепадов температуры или различия коэффициентов теплового расширения рассматривается при проверке или расчете ресурса по числу циклов. Преимущественное значение при эксплуатации имеет нагружение заданными деформациями, поэтому использование в расчетах кривых усталости, полученных при постоянных циклических деформациях, является наиболее обоснованным. Сопротивление разрушению при циклическом нагружении, характеризуемое кривыми усталости, зависит от уровня температуры, термообработки сплава, наводороживания и ориентации гидридов, а также от нейтронного облучения.
Наводороживание и облучение уменьшают сопротивление малоцикловому разрушению, что обусловлено снижением пластичности сплавов при указанных воздействиях. Данные о кинетике трещин при циклическом нагружении свидетельствуют о том, что возможный рост дефектов при эксплуатации в деталях из сплавов циркония при напряжениях, ограничиваемых расчетом на кратковременную или длительную прочность или ползучесть, по-видимому, невелик, хотя к настоящему времени процессы развития трещин в сплавах циркония нельзя считать исследованными достаточно полно, особенно при условиях, приближающихся к эксплуатационным.
Определение критической температуры хрупкости для сплава Zr — 2,5% Nb как температуры, соответствующей ударной вязкости, равной половине максимального ее значения, дает значения температуры, лежащие в интервале эксплуатационных для наводороженных и облученных сплавов. В то же время определение критического состояния с позиций линейной механики разрушения показывает, что рассмотренные циркониевые сплавы в эксплуатационных условиях обладают достаточно высоким сопротивлением разрушению, позволяющим использовать их в конструкциях реакторов.
Данные зарубежных публикаций показывают, что для применяемых в настоящее время за рубежом сплавов на основе циркония критические размеры дефектов, как правило, таковы, что в условиях эксплуатации течь таких элементов конструкций, как трубы каналов, будет предшествовать их катастрофическому разрушению.
Широкое применение сплавы на основе циркония нашли для оболочек тепловыделяющих элементов, выбор размеров которых определяется в ряде случаев расчетом на устойчивость. Изложение особенностей такого расчета в упруго-пластической области с учетом ползучести полезно для практических оценок и приведено в последней главе.
Дальнейшие усилия в области исследования прочности циркониевых сплавов целесообразно сосредоточить на изучении влияния облучения и наводороживания на сопротивление деформированию и разрушению при циклическом и однократном нагружении в интервале эксплуатационной температуры, что позволило бы сформулировать нормативные положения, касающиеся расчета на прочность элементов конструкций ядерных реакторов из сплавов циркония.