Файл: Ривкин, Е. Ю. Прочность сплавов циркония.pdf

При комнатной температуре (см. табл. 6.2) торможение тре­ щины может не происходить уже при содержании водорода 0,01%. С повышением содержания водорода трещина разви­ вается даже в ненагруженной давлением трубе лишь за счет удара бойка.

При содержании водорода 0,02% температура торможения

Результаты испытаний образцов из холоднодеформированного циркалоя-2 (содержание водорода 0,02%)

отожженного циркалоя-2 при содержании водорода более 0,02% не отмечается существенного повышения температуры тормо­ жения.

Аналогичные величины температуры торможения трещин по­ лучили Р. С. Ангст и Л. Ф. Дефферинг [35].

136

6.5. ИНИЦИИРОВАНИЕ ТРЕЩИН

Температура торможения трещин в циркониевых наводороженных сплавах достаточно высока, поэтому при эксплуатации конструкций из циркониевых сплавов могут возникать условия, когда начавшая развиваться трещина не сможет затормозиться и приведет к хрупкому разрушению. Поэтому основные усилия исследователей были направлены на изучение условий иницииро­ вания трещин. Требовалось получить соотношения между напря­ жениями, размерами дефектов и температурой эксплуатации, гарантирующими предупреждение развития дефектов до крити­ ческих размеров при однократном нагружении. Прямой ответ

сопротивления разрушению труб реактора SGHWR из холоднодеформированного циркалоя-2. Испытывали отрезки труб диа­ метром 127 мм, толщиной 5,1 мм, в которых электроискровым методом создавали сквозные надрезы различной длины. Трубы нагружали внутренним давлением. При температуре испытаний ниже 150° С надрезы уплотнялись резиновыми пластинками, а при более высокой температуре — специальными алюминиевыми втулками, вставленными внутрь испытуемых труб. С торцов трубы уплотняли специальными головками. Трубы испытывали в исходном состоянии с содержанием водорода 0,02 и 0,04%.

При 300° С ненаводороженные трубы разрушались вязко путем среза по плоскостям скольжения. Наводороженные трубы разрушались квазихрупко путем отрыва с небольшими следами сдвига в изломе.

При 20° С разрушение ненаводороженных труб носило сме­ шанный характер, а при содержании водорода 0,04% — квазихрупкий. При повышении температуры испытаний характер раз­ рушения постепенно менялся. Но при содержании водорода 0,04% и температуре 200°С разрушение все еще было квазихрупким.

Зависимости разрушающих напряжений от длины надреза приведены на рис. 6.2. Видно, что наводороживание особенно сильно понижает сопротивление разрушению холоднодеформированного циркалоя-2 при температуре 20° С. При 300° С влияние наводороживания существенно меньше. Качественно картина влияния водорода совпадает с выявленной при испытаниях на ударную вязкость.

На рис. 6.3 а, б, в (по данным работы [127]) показано влияние температуры на разрушающие напряжения при различ­ ных уровнях наводороживания. Снижение разрушающих напря­ жений с повышением температуры для ненаводороженных труб, по-видимому, связано со снижением предела текучести. При наводороживании разрушающие напряжения увеличиваются с повышением температуры.

Анализируя на основании полученных данных работоспособ­ ность труб реактора SGHWR, Р. В. Никольс и Б. Уоткинс [127]

ления раскрытия трещины). Образцы для определения раскры­ тия трещины имели размеры 46,5x10x4,2 мм с надрезом ши­ риной 0,2 мм и глубиной 2 мм. Три образца были вырезаны из трубы, облученной в течение 11 000 ч при 280° С и нагруженной внутренним давлением. Кольцевые напряжения в трубах со­ ставляли 9,5 кгс/мм2. Интегральный поток нейтронов был 7-1020 см~2, концентрация Н2 в трубах составляла 0,0033%.

138

Кроме того, были испытаны трубы, извлеченные из реактора NPD, с внутренним диаметром 82,5 мм, толщиной стенки 4,32 мм, изготовленные из холоднодеформированного на 17% Циркалоя-2. Эти трубы проработали в реакторе 5 лет при тем­ пературе 252—273° С. Кольцевые напряжения в трубах равня-

Рис. 6.3. Зависимость разрушающих напряже­ ний от температуры при различной длине трещины:

лись 7 кгс/мм2, максимальный интегральный поток достигал 1,2-1021 нейтрон/,см2, концентрация водорода — 0,0027%. В тру­ бах создавали сквозные надрезы электроэрозионной обработкой, а затем нагружали внутренним давлением до разрушения.

Полученные А. Кованом и В. Д. Лангфордом [55] зависи-. мости приведены на рис. 6.4. При 300° С трубы разрушались вязко, а при 20° С разрушение носило хрупкий или квазихрупкий характер.

Облучение ненаводороженных труб реактора «Дуглас-Пойнт» увеличивало разрушающие напряжения по сравнению с необлученными при надрезах одинаковой длины. Этот эффект был более заметен при 300° С, чем при 20° С. Очень слабое влияние облучения при комнатной температуре на разрушающие напря­ жения труб из циркалоя-2 было также отмечено в работе Г35]. Наводороживание до 0,02% заметно уменьшает напряжения разрушения необлученных труб при 20° С, но мало сказывается при температуре 300° С.

10* 139

Совместное влияние облучения и наводороживания измёняется с температурой. При 20° С влияние наводороживания превалирует. При 300° С наводороживание снижает разрушаю­ щие напряжения для облученных образцов, но не в такой сте­ пени, как при 20° С. При 300° С существенным оказывается

Рис. 6.4. Влияние облучения и наводороживания при 20 и 300° С на зависимость разрушающего напряжения от длины, трещины:

/ — исходное состояние; 2 — облучение Ф=2,3 • 1020 нейтрон/см2\ 3 — наводороживание до 0,02%; 4 — облучение Ф —2,3 • 1020 нейтрон/см2 и наводороживание до 0,02%.

упрочняющее влияние облучения, поэтому сопротивление раз­ рушению облученных и наводороженных труб при этой темпе­ ратуре выше, чем необлученных.

В табл. 6.6 для сравнения приведены данные о влиянии облучения на разрушающие напряжения труб с надрезом 76,2 мм при температуре 300° С.

Т а б л и ц а 6.6

Влияние облучения на разрушающие напряжения в трубах реактора «Дуглас-Пойнт»

140

В отличие от труб реактора «Дуглас-Пойнт» при темпера­ туре 20° С разрушающие напряжения облученных наводороженных труб для реактора NPD оказались ниже, чем для необлученных ненаводороженных, хотя трубы реактора NPD получили существенно большую дозу облучения и соответственно большее упрочнение. Возможно, это связано с повреждениями, вызван­ ными ползучестью труб в реакторе NPD в течение пятилетнего срока их эксплуатации. Однако отсутствие подобного эффекта при испытаниях труб при температуре 300° С осталось необъясненным.

В работе [55] исследовано влияние ориентации гидридов, повышенного содержания водорода и поверхностных дефектов на сопротивление разрушению циркалоя-2 и показано, что при 300° С и высоком содержании водорода (до 0,1%) критическая длина трещины в трубах реактора SGHWR при напряжении 11,2 кгс/мм2 составляет ~ 100 мм.

Наводороживание с ориентацией гидридов в радиальном направлении существенно снижает сопротивление разрушению труб из циркалоя-2 при температуре 20° С, но мало сказывается при температуре 300° С (см. рис. 6.2). Расчетным путем по величинам вязкости разрушения Ki kр, определенным на образ­ цах с надрезом [154] для наводороженных до 0,04% с радиаль­ ной ориентацией гидридов и облученных труб, были определены для различных напряжений критические размеры поверхностной полуэллиптической трещины (табл. 6.7). Как видно, в трубах реактора SGHWR при напряжении 11,2 кгс/мм2 поверхностные трещины становятся критическими при длине 254 мм и глубине

2,54 мм.

Т а б л и ц а 6.7

Критические размеры поверхностной трещины в трубах для различных напряжений

В табл. 6.8 приведены результаты исследования влияния облучения на сопротивление разрушению труб из циркалоя-2 при различной температуре. Трубы диаметром 25,4 мм с тол­

141