Глава вторая
ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ЦИРКОНИЯ, И ЕГО СПЛАВОВ
По своим физическим и химическим свойствам, кроме ядерных, цирконий близок к титану и гафнию. Температура плавления циркония заметно зависит от содержания примесей и для металла реакторной чистоты составляет 1852±10°С [11].
Цирконий является полиморфным металлом. Низкотемпературная его аллотропическая модификация (α-цирконий) характеризуется гексагональной плотноупакованной решеткой. При температуре 865° С происходит фазовое превращение, выше которой существует высокотемпературная модификация β-цирконий, характеризующаяся объемноцентрированной кубической решеткой. Температура плавления и фазового превращения может заметно изменяться при легировании. Для сплавов типа циркалой превращение происходит в интервале температуры 825—985° С при нагревании и 945—780° С при охлаждении [67], а в сплаве Zr—1% Nb — при 610—880°С [3]. Детальный анализ основных физических характеристик циркония сделан в работах [11, 61, 63, 67]. Здесь целесообразно рассмотреть физические характеристики, используемые при расчетах и оценках прочности деталей и конструкций из циркония и его сплавов, а также влияние на них условий эксплуатации.
2.1. МОДУЛЬ УПРУГОСТИ И МОДУЛЬ СДВИГА
Гексагональная кристаллическая структура у α-циркония обусловливает заметно выраженную анизотропию упругих свойств. Характер изменения модуля упругости в монокристалле α-циркония в зависимости от кристаллографического направления показан на рис. 2.1. В направлении, перпендикулярном к плоскости базиса {0001}, величина нормального модуля упругости наибольшая и на 25% выше, чем в направлении, совпадающем с плоскостью базиса.
Анизотропия упругих свойств характерна и для поликристаллического циркония и зависит от состояния металла. Нормальный модуль упругости иодидного циркония при комнатной температуре в отожженном состоянии составляет (7,95± ±1,62)·103 кгс/мм2.
Холодная деформация несколько увеличивает нормальный модуль упругости, заметной становится и его анизотропия.
Рис. 2.1. Изменение модуля Юнга в зависимости от кристаллографического направления в α-Zr.
модуль упругости при комнатной температуре составляет (9,0± 1,7) · 103 кгс/лои2 в направлении прокатки и 8,3 · 103 кгс/мм2 в поперечном направлении [ 187]. Характер изменения модуля упругости иодидного циркония в зависимости от степени холодной деформации показан на рис. 2.2.
С повышением температуры модуль упругости уменьшается. Данные об изменении модуля упругости в зависимости от температуры для иодидного циркония приведены в табл. 2.1. Модуль сдвига и коэффициент Пуассона иодидного циркония при комнатной температуре соответственно равны 3,35·103 кгс/мм2 и 0,31—0,33. Модуль упругости губчатого циркония мало отличается от модуля иодидного металла и при комнатной температуре составляет (9-9,5) -103 кгс/см2 [11].
Систематические данные о влиянии легирования на упругие свойства циркония отсутствуют. Однако сведения об упругих свойствах промышленных сплавов позволяют считать, что легирование циркония элементами Sn, Fe, Cr, Ni, Сu и Мо в соответствующих пределах приводит к некоторому увеличению модулей упругости и сдвига.
Большинство данных по оценке упругих свойств сплавов циркония получено для сплавов типа циркалой. При комнатной температуре модуль упругости сплавов типа циркалой равен (9,7-10)·103 кгс/мм2, с повышением температуры до 550° С происходит его монотонное уменьшение до (6-6,6) -103 кгс/мм2.
Рис. 2.2. Влияние холодной деформации на модуль Юнга циркония.
Модуль сдвига сплава циркалой-2 при комнатной температуре составляет 3,68·103 кгс/мм2 [16]. Для текстурированных образцов из сплавов типа циркалой характерно различие модулей упругости в направлении прокатки и в поперечном направлении. В поперечном направлении величина модуля, как правило, на 10—15% выше, чем в направлении прокатки.
Данные о характеристиках упругости других сплавов весьма малочисленны. Модуль упругости для сплава ATR [Zr—(0,4-0,6) % Сu — (0,54-0,6) % Мо] несколько выше, чем у сплавов типа циркалой. При комнатной температуре он равен 11-103 кгс/мм2, а при 400° С 7,9· 103 кгс/мм2 [187].
Модуль упругости сплавов Zr—1 % Nb и Zr — 2,5% Nb при комнатной температуре мало чем отличается от модуля упругости чистого циркония, но несколько меньше, чем у сплавов типа циркалой и составляет 9,3-103 и 9,1-103 кгс/мм2. При температурах 300—400° С модуль упругости сплавов с ниобием и сплавов типа циркалой практически одинаков. С увеличением содержания ниобия от 5 до 20% модуль упругости циркония в области температуры 20—300° С уменьшается. При комнатной температуре он составляет 8,8·103; 8,2·103 и 6,1·103 кгс/мм2 соответственно для сплавов с 5, 10 и 20% Nb. Для этих сплавов, однако, характерно меньшее изменение модуля при нагреве, и в области температуры выше 500° С для сплавов с 5 и 10% Nb его величина заметно выше, чем у сплавов типа циркалой и чистого циркония (соответственно 6,55·103 и 5,8·103 кгс/мм2 при температуре 900°С).
Таблица 2.1
Модуль упругости циркония и его сплавов
Примечание. Все данные относятся к сплавам в отожженном состоянии.
Такой характер изменения модуля упругости, по-видимому, обусловлен особенностями фазового состава сплавов.
Значения модулей упругости циркония и его сплавов в интервале температуры 20—500° С приведены в табл. 2.1. Модуль сдвига сплавов Zr—1 % Nb и Zr — 2,5% Nb при 20° С составляет 3,55-103 и 3,2-103 кгс/мм2 соответственно.
Данные о влиянии условий эксплуатации (облучения и наводороживания) на характеристики упругости циркония и его сплавов весьма ограниченны и порой противоречивы. Так, в Ханфорде [16] было установлено, что облучение интегральным потоком тепловых нейтронов 7-1019 нейтрон/cм2 увеличивает модуль упругости при комнатной температуре на 4—9% для сплава циркалой-2 и на 2—9% для сплава циркалой-3. Этот эффект наблюдается и для других конструкционных материалов, например, нержавеющей стали типа AISI304, сплава на основе магния. В то же время, по данным работы [18], после облучения в интегральном потоке быстрых нейтронов 2,7-1020 нейтрон/cм2 при температуре ниже 100° С модуль упругости сплава циркалой-2 не изменяется. Учитывая известный характер субструктурных изменений в сплавах циркония при нейтронном облучении и связь их с характеристиками упругости, по-видимому, более закономерно увеличение модуля упругости при облучении. Возможными причинами различного эффекта являются различия в методиках определения.
Исследование влияния наводороживания на упругие свойства сплавов циркония позволило обнаружить двойственный характер эффекта присутствия водорода. В области температуры существования гидридов в наводороженном сплаве Zr—2,5% Nb модуль упругости выше, чем в ненаводороженном (см. табл. 2.1), при этом различие тем больше, чем выше содержание водорода в сплаве. При повышении температуры происходит растворение гидридов, что приводит к снижению модуля упругости, и в области температуры существования твердого раствора водорода в сплаве его модуль упругости ниже, чем в ненаводороженном состоянии. Аналогичный характер изменения модуля сдвига в результате наводороживания наблюдался в работе [63] для чистого циркония.
