Содержание материала


Рис. 2.3. Коэффициент линейного расширения рекристаллизованной полосы из циркония:
1 — в направлении, перпендикулярном к плоскости прокатки; 2 — в направлении, перпендикулярном к направлению прокатки; 3 —  в направлении прокатки.
Цирконий и его сплавы характеризуются заметной анизотропией коэффициентов линейного расширения. В направлении, перпендикулярном к плоскости базиса, истинный коэффициент линейного расширения (аc) в области повышенной температуры примерно в 1,5—2 раза больше, чем в направлении, параллельном плоскости базиса (аа).  По данным работ [11, 157], определенные с помощью рентгенографического метода истинные коэффициенты аc и аа для рекристаллизованного чистого циркония составляют 6,39·10-6 и 5,64·10-6 град соответственно при 20° и 7,0-10-6 и 14,4-10-6 град-1 при 600°С; средние коэффициенты линейного расширения (ас и аа) в интервале температуры 25—300° С соответственно равны (4,5-5,5)· 10-6 и 10,3· 10-6 град.

Зависимость коэффициентов линейного расширения от кристаллографической ориентации проявляется и в полуфабрикатах из поликристаллического циркония. В работе [11] установлена зависимость коэффициентов линейного расширения от текстуры металла. Изменение коэффициентов линейного расширения в трех главных направлениях в листовом материале в зависимости от температуры показано на рис. 2.3. Текстура листового циркония характеризуется ориентацией нормалей к плоскости базиса под углом 30° к нормали плоскости прокатки и обусловливает наибольшее значение коэффициента линейного расширения в направлении толщины, наименьшее — в направлении прокатки.
Связь величины линейного расширения с текстурой является причиной различия коэффициентов линейного расширения в деформированном и отожженном материале. Холоднодеформированный цирконий имеет несколько меньший коэффициент линейного расширения в направлении прокатки, чем отожженный, соответственно 5,1·10-6 и 6,0·10-6 град-1 в интервале температуры 200—400° С [30].
При нагревании вплоть до температуры превращения а-Zr↔β-Zr истинные коэффициенты линейного расширения чистого циркония монотонно возрастают. В процессе этого превращения происходит резкое уменьшение коэффициента линейного расширения. Наиболее достоверное значение коэффициента линейного расширения для β-Zr, по мнению авторов работы [11], равно 9,7·10-6 град-1.
Систематические исследования влияния легирования на термическое расширение циркония не проводились. Оценка коэффициентов, теплового расширения промышленных сплавов циркалоя-2 [11], сплавов Zr— 1 % Nb и Zr — 2,5% Nb [14, 16] и некоторых экспериментальных сплавов, например сплава Zr—1,5% Со — 3,5% Сr [30]), показала, что они мало отличаются от таковых для чистого циркония. Некоторые различия в значениях коэффициентов для сплавов, по данным ряда исследователей, скорее всего могут быть обусловлены различием в состоянии исследованных материалов, главным образом степенью текстурированности. 

Средние коэффициенты линейного расширения некоторых промышленных сплавов в рекристаллизованном состоянии в интервале температуры 20—600°С составляют: для циркалоя-2 (6,3-6,5)·10-6 [11], для циркалоя-4 6,5·10-6 [32], для сплава Zr—2,5% Nb (6,8-4,5)·10-6 (в зависимости от температуры отжига) [14], для сплава Zr — 1% Nb 4,3·10-6=град [3].
Влияние степени холодной деформации и температуры последующего отжига на коэффициент линейного расширения сплава Zr — 2,5% Nb исследовано в работе [14]. Холодная деформация приводила к снижению коэффициентов линейного расширения (рис. 2.4). При этом в характере снижения наблюдались некоторые особенности. При температуре >400° С коэффициент линейного расширения резко падал, практически независимо от степени предшествующей деформации.  Отжиг после холодной деформации приводил к восстановлению монотонного характера зависимости истинного коэффициента линейного расширения от температуры и к возрастанию абсолютной величины коэффициента во всем исследованном интервале температуры (см. рис. 2.4).
Весьма интересные с практической точки зрения результаты получены в работе [162] о влиянии степени наводороживания на коэффициент линейного расширения сплавов циркалой-2, 4 и сплава Zr— 2,5% Nb. Наводороживание обусловливало заметное возрастание истинного коэффициента линейного расширения исследуемых сплавов циркония в определенном для каждого содержания водорода интервале температуры, с последующим резким падением его при дальнейшем нагреве. При этом с увеличением содержания водорода этот интервал температуры смещался в область более высокой температуры и возрастало абсолютное значение максимума на кривой «коэффициент линейного расширения — температура».
Типичный вид кривых изменения истинного коэффициента линейного расширения в зависимости от температуры для наводороженного сплава циркалой-4 показан на рис. 2.5 [162]. Наличие максимумов на кривых «αист— температура» является, как правило, следствием протекания фазовых превращений в сплаве. Было сделано предположение, что в данном случае наблюдаемые изменения αист в наводороженных сплавах циркония обусловлены превращением γ'-гидрида, характеризующегося меньшим коэффициентом линейного расширения, чем у циркония (2,56·10-6 град-1), в δ-гидрид с коэффициентом линейного расширения, значительно превышающим таковой для циркония (14,2-10-6 град-1). Однако в более поздней работе [22] было установлено, что влияние наводороживания на коэффициент теплового расширения сплава Zr — 2,5% Nb обусловлено процессом растворения гидридов при нагреве, а не фазовыми превращениями в гидридах.
Авторы работы [22] показали, что увеличение истинного коэффициента линейного расширения сплавов циркония в наводороженном состоянии является только одним из возможных случаев изменения линейного расширения в результате гидрирования.
Изменение коэффициента линейного расширения сплавов циркония при наводороживании определяет ориентация гидридов по отношению к направлению измерения коэффициентов, а степень наводороживания определяет лишь величину изменения и температурный интервал его проявления. При ориентации гидридов перпендикулярно к направлению измерения коэффициента наблюдается его снижение в определенном для каждого содержания водорода интервале температуры и тем больше, чем выше содержание Н2 в сплаве (см. рис. 2.5,б). 


Рис. 2.5. Влияние степени наводороживания и ориентации гидридов на коэффициент линейного расширения сплавов циркалой-4 с ориентацией гидридов вдоль образца (а) и Zr — 2,5% Nb с ориентацией гидридов поперек образца (б).
При ориентации гидридов, совпадающей с направлением измерения коэффициента (случай, рассмотренный в работе [162]), наблюдается увеличение коэффициента линейного расширения в определенном для каждого содержания Н2 интервале температуры (см. рис. 2.5, а). При беспорядочной ориентации гидридов эффект влияния наводороживания зависит от соотношения количества гидридов, ориентированных перпендикулярно и параллельно направлению измерения коэффициента.
Следует отметить, что так как для измерения коэффициентов термического расширения в обеих работах [22, 162] используется дилатометрический метод, фактически речь идет о коэффициентах изменения линейных размеров, включающих в себя величины термического расширения и объемные изменения в результате фазового превращения (растворения гидридов).
Заметная зависимость изменения линейных размеров сплавов циркония от наводороживания может иметь существенное практическое значение, особенно для деталей из сплавов циркония, работающих в жестком контакте с деталями из материалов, отличающихся коэффициентом линейного расширения (например, соединение цирконий — сталь для труб технологических каналов). В связи с влиянием ориентации гидридов немаловажным фактором является технология изготовления подобных деталей и уровень рабочих напряжений в них, поскольку именно они обусловливают ориентированный характер выделения гидридов. Изменение линейных размеров при растворении (выделении) гидридов может быть причиной ускорения релаксации напряжений, а также увеличения суммарной деформации в деталях, работающих под нагрузкой при циклическом изменении температуры.