Файл: Герасимов В.В. Материалы ядерной техники учеб. пособие.pdf

50 Гл. 3. Свойства реакторных материалов

диаграмме растяжения. В этом случае за условный предел текучести принимают напряжения, вызывающие пластическую деформацию на 0,1 или 0,2%. Условный предел текучести обо­ значается Оо,1 ИЛИ СХо,2.

Пластичные материалы до разрушения под влиянием возра­ стающей нагрузки приобретают заметную пластическую или остаточную деформацию. Разрушение металла в таком случае называют пластическим. В случае хрупкого разрушения мате­ риал с ростом нагрузки деформируется упруго и затем при достижении некоторой величины нагрузки разрушается без пла­ стической деформации. В этом случае межатомные расстояния в процессе упругой деформации становятся столь велики, что межатомные силы ослабевают и происходит отрыв одной атом­ ной плоскости от другой. Нагрузка (на единицу площади), при которой происходит разрушение материала, называется преде­ лом прочности (ств). В хрупких материалах предел прочности равен пределу текучести. В пластичных металлах предел проч­ ности, естественно, выше предела текучести. Заметим, что в пла­ стичных материалах при напряжениях выше предела текучести одновременно развиваются и упругая, и пластическая дефор­ мации.

Приложение нагрузки, не превышающей предела текучести, вызывает искажение кристаллической решетки металла в результате смещения отдельных атомов из положений равнове­ сия. При растягивающих нагрузках увеличиваются межатомные расстояния вдоль оси, по которой происходит указанное смеще­ ние. При сжимающих нагрузках расстояние между атомами уменьшается. При смещении атомов из положения равновесия силы металлической связи стремятся вернуть их в исходное состояние. Сумма сил, действующих на все смещенные атомы, расположенные на единице площади поперечного сечения, назы­ вается напряжением и равна нагрузке, приходящейся на ту же площадь. Пока не пройден предел текучести, после снятия внеш­ ней нагрузки, каждый атом возвращается в положение равно­ весия. При этом упругие деформации и напряжения становятся равными нулю. Величина упругого смещения атома даже в атомных масштабах всегда мала. Работа, затраченная на упру­ гое деформирование металла, сохраняется в виде потенциальной энергии атомов искаженной кристаллической решетки.

Пластическая деформация кристаллов может происходить в основном двумя путями: скольжением и двойникованием. При скольжении имеет место движение тонких слоев кристалла наподобие смещения карт в колоде. Скольжение происходит вдоль определенной кристаллографической плоскости (плоско­ сти скольжения) и кристаллографического направления (направ­ ления скольжения). В г.ц.к. и гекс.п.у. кристаллических решет­

ках плоскостями скольжения являются обычно плоскости с наиболее плотной упаковкой атомов. В г.д.к. решетке такой плоскостью является плоскость (111), в гекс.п.у. — базисная плоскость (0001). При повышении температуры в скольжении могут принимать участие и другие плоскости, однако и они должны иметь относительно высокую плотность атомов. Сколь­ жение наиболее просто устано­ вить по присутствию линий сколь­ жения. Последние образуются при пересечении плоскостей скольжения с поверхностью кри­ сталла. Расстояние между плос­ костями скольжения в различных металлах различно, в среднем это ІО-4 см, т. е. ~ 1 0 3 атомных диа­ метров. Перемещение атомных плоскостей относительно' друг друга по плоскостям скольжения может достигать ІО2 атомных диаметров. В большинстве метал­ лов с увеличением деформации при значительном растяжении

расстояние между плоскостями скольжения не изменяется. Это указывает на то, что деформация протекает по уже образовав­

легким скольжением, когда движение дислокаций происходит в основном в одной системе скольжения (первичной). В монокри­ сталлах дислокации при этом проходят большие расстояния, порядка диаметра образца. Упрочнение,- соответствующее этой стадии, мало. В металле при этом образуются длинные линии скольжения.

С увеличением степени деформации наступает стадия II. Скольжение происходит во вторичных системах. Усиливается упругое взаимодействие дислокаций, в результате которого мо­ гут образоваться сидячие дислокации Ломера— Коттрелла, играющие роль барьеров, у которых скапливаются дислокации одного знака. Среднее число дислокаций в таком скоплении достигает в меди 20—25. Образование дислокаций Ломера — Коттрелла происходит, например, в металлах с г.ц.к. решеткой, когда две расщепленные дислокации с векторами Бюргерса, расположенными под углом 120°, встречаются на пересечении своих плоскостей скольжения. На стадии II линии скольжения

52 Гл. 3. Свойства реакторных материалов

становятся короче п среднее расстояние, проходимое дислока­ циями, уменьшается.

При еще больших деформациях наклон кривой «напряже­ ние— деформация» уменьшается. Наступает стадия ///, связан­ ная с термически активируемым процессом поперечного сколь­ жения винтовых дислокаций под действием возрастающего напряжения. Поперечное скольжение приводит к частичной релаксации (снятию напряжений). Дислокации группируются в объемные сетки (ячеистое строение дислокаций), внутри кото­ рых расположены менее искаженные области решетки (блоки). Ячеистая структура образуется тем легче, чем выше энергия дефектов упаковки, т. е. чем уже расщепленные дислокации и легче их поперечное скольжение. Поперечное скольжение обес­ печивает возможность аннигиляции отдельных дислокаций про­ тивоположных знаков, что также ведет к-уменьшению упругих напряжений.

В процессе деформации из-за наличия препятствий, задер­ живающих перемещение дислокаций, может возникнуть скоп­ ление их. При слиянии нескольких дислокаций образуется зародыш мпкротрещины, образование которого часто является следствием взаимодействия скоплений дислокаций, расположен­ ных в параллельных пли пересекающихся плоскостях скольже­ ния. Если в плоскости скольжения, где образовался зародыш мпкротрещины, непрерывно действует источник дислокаций, то микротрещина может расти, поглощая скопления дислокаций,

щина проходит через кристалл, вызывая его хрупкое разру­ шение.

В атомной энергетике и в котлостроении стали эксплуати­ руются при высокой температуре. В связи с этим стали должны быть жаропрочными. Под жаропрочностью понимают способ­ ность материала противостоять механическим нагрузкам при высокой температуре. Напряжение, которое может вызвать раз­ рушение металла при повышенной температуре, существенно зависит от длительности приложения нагрузки. Разрушающее напряжение может быть велико при кратковременном приложении нагрузки и мало при длительном действии на­ грузки.

Чем выше температура металла, тем ниже будет разрушаю­ щее напряжение при данной длительности действия нагрузки. В общем случае прочность металла определяется обоими фак­ торами: температурой и временем.

Общий вид зависимости прочности от длительности при­

должительности действия нагрузки. Так, при напряжении,

т. е. через несколько десятков лет. При более высокой темпе­ ратуре зависимость прочности от времени воздействия нагрузки становится все более заметной. При достаточно высокой темпе­ ратуре прочность снижается с увеличением длительности испы­

можно пренебречь, а при высокой температуре этот фактор при­ обретает решающее значение.

При учете фактора времени прочность металла следует оце­ нивать характеристикой, называемой длительной прочностью. Длительная прочность — это предел прочности при данной дли­ тельности испытаний или напряжение, вызывающее разрушение при данной продолжительности воздействия нагрузки. Длитель­ ная прочность обозначается буквой а с индексом, показывающим продолжительность воздействия напряжения в часах. Например, запись ст[оо обозначает напряжение, вызывающее разрушение через 100 ч.

Жаропрочность материалов характеризуется пределом пол­ зучести— напряжением, вызывающим заданную скорость де­ формации при данной температуре. Так, гГолЛооо обозначает напряжение, вызывающее суммарную деформацию 0,1% за 1000 ч. При высокой температуре происходит медленная пла­ стическая деформация металла под действием постоянных сравнительно малых напряжений. Такое явление называется

ползучестью.

Ползучесть приводит к изменению размеров и формы кон­ струкций и деталей и может привести к их разрушению. При

напряжениях скорость ползучести непрерывно уменьшается до тех пор, пока деформация не прекращается полностью. Вели­ чина пластической деформации при низкотемпературной ползу­ чести не превышает нескольких процентов. Причиной снижения скорости низкотемпературной ползучести во времени является прогрессирующее в процессе деформации торможение движения

ной ползучести (III стадия), предшествующий разрушению. При длительных сроках службы ползучесть характеризуется ско­ ростью ее на стадии II. Ползучесть возникает обычно при тем­ пературе выше (0,Зч-0,4) Гпл, т. е. в области температур, когда в сплавах может происходить изменение структуры за счет пере­ распределения легирующих элементов между фазами, вследст­ вие коагуляции и т. д.

На / стадии ползучести превалирует упрочнение, обуслов­ ленное блокировкой дислокаций, что приводит к замедлению ползучести. Когда скорость генерирования дислокаций станет равной скорости перехода их в другие плоскости, происходит переход ко II стадии ползучести. На III стадии ползучести по границам зерен накапливаются микротрещины, и микропоры, связанные со смещением зерен относительно друг друга. Раз­ рушение носит межкристаллитный характер.

Образование на поверхности металла адсорбционного слоя атомов или молекул теплоносителя снижает поверхностную энергию металла. При этом облегчается образование трещин, выход на поверхность дислокаций т. д. Жидкие металлы, атомы которых проникают в микротрещины, могут снижать сопротив­ ление материалов пластической деформации и интенсифициро­ вать разрушение.