Глава третья
КРАТКОВРЕМЕННЫЕ МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ЦИРКОНИЯ И ЕГО СПЛАВОВ
Характеристики механической прочности и пластичности циркония и его сплавов зависят от химического состава, режимов термической и механической обработки. Эти сплавы могут быть использованы для работы в условиях действия агрессивных рабочих сред, высокой температуры и нейтронного облучения.
3.1. ДЕФОРМАЦИОННОЕ ПОВЕДЕНИЕ
Наличие у циркония множества плоскостей скольжения и двойникования обусловливает весьма высокую его пластичность, сохраняющуюся даже при температуре жидкого азота. Поведение циркония при пластической деформации вплоть до момента разрушения может быть охарактеризовано следующим соотношением величин истинного напряжения и деформации: σ= = k5n, где k — константа, а п — показатель степени упрочнения. Показатель упрочнения зависит от температуры и состояния металла. Для иодидного циркония при комнатной температуре показатель степени упрочнения составляет 0,25 для отожженного состояния и 0,05 для холоднодеформированного. С повышением температуры до 400o С значение его для отожженного металла падает до 0,16.
Показатель степени упрочнения заметно связан с текстурой металла. Листовой цирконий характеризуется существенным различием показателя степени упрочнения в продольном и поперечном направлениях. Для сильно текстурированного металла в холоднодеформированном состоянии показатель упрочнения выше в поперечном направлении, чем в продольном, и равен соответственно 0,17 и 0,07. В отожженном состоянии наблюдается обратная картина, и показатель деформационного упрочнения равен 0,22 для продольного направления и 0,11 для поперечного. Для слабо текстурированного металла различие показателей деформационного упрочнения в продольном и поперечном направлениях практически отсутствует.
Деформационное упрочнение чистого циркония зависит также от размера зерна. В области выше 0° С выражение a=kδn справедливо только для мелкозернистого металла. Для отожженного иодидного циркония влияние скорости деформации на механические свойства незначительно. В интервале температуры 200—400° С показатель степени упрочнения n, определенный из соотношения
(где S1 и S2 — истинные напряжения, а ε1 и ε2 истинные деформации при различных скоростях деформации) при увеличении скорости деформации от 0,9 до 0,0009 мин-1 составляет 0,012—0,021. Для холоднодеформированного циркония наблюдается заметное увеличение чувствительности механических свойств к скорости деформации при температуре выше 200 и при 400° С показатель степени упрочнения составляет 0,06—0,08 [12].
В работе [53] отмечено, что с увеличением размера зерна от 0,003 до 0,037 мм наблюдается тенденция к снижению прочностных характеристик чистого отожженного циркония при 20 и 260° С. Более детальное изучение влияния размера зерна на механические свойства чистого циркония в интервале температуры 77—673° К показало, что зависимость предела текучести и разрушающего напряжения от величины зерна подчиняется уравнению Петча:
, где k — константа, d — средний размер зерна.
Для мелкозернистого циркония характерно наличие площадки текучести на кривых растяжения. При этом с увеличением температуры испытаний от —196 до 300° С и уменьшением величины зерна площадка текучести становилась более четкой. Введение небольших количеств водорода приводило к исчезновению площадки текучести. Наличие площадки текучести было обнаружено и на кривых растяжения бинарных сплавов Zr— Sn, Zr—(14-2,5)% Nb, циркалоя-2 [12]. В то же время на кривых растяжения сплавов с кислородом и сплавов циркония с оловом, дополнительно легированных хромом и никелем, площадка текучести отсутствовала.
Наиболее детально условия появления площадки текучести изучены для сплава циркалой-2 [39, 66]. Установлено, что после закалки площадка текучести в циркалое-2 исчезает, в то время как медленное охлаждение или охлаждение на воздухе делает ее более отчетливой. Старение закаленного сплава при температуре выше 600° С вызывает появление площадки текучести. Старение же отожженного сплава при 100° С и выше обусловливает ее исчезновение.
Введение водорода заметно изменяет вид кривой «деформация — напряжение» сплава циркалой-2. При увеличении содержания водорода от 0 до 0,015 вес % наблюдается постепенное уменьшение значения верхнего предела текучести, а затем и полное исчезновение «зуба» текучести. Оценка влияния содержания водорода и линейных размеров гидридов на деформацию чистого циркония и сплава циркалой-2 позволила установить, что исчезновение «зуба» текучести при введении водорода может быть обусловлено появлением дополнительных участков начала пластической деформации вблизи гидридов.
