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

Глава вторая

ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ЦИРКОНИЯ, И ЕГО СПЛАВОВ

По своим физическим и химическим свойствам, кроме ядерных, цирконий близок к титану и гафнию. Температура плав­ ления циркония заметно зависит от содержания примесей и для металла реакторной чистоты составляет 1852±10°С [И ].

Цирконий является полиморфным металлом. Низкотемпера­ турная его аллотропическая модификация (а-цирконий) харак­

рованной кубической решеткой. Температура плавления и фазо­

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 характе­ ристики, используемые при расчетах и оценках прочности де­ талей и конструкций из циркония и его сплавов, а также влия­ ние на них условий эксплуатации.

2.1. МОДУЛЬ УПРУГОСТИ И МОДУЛЬ СДВИГА

Гексагональная кристаллическая структура у а-циркония обусловливает заметно выраженную анизотропию упругих свойств. Характер изменения модуля упругости в монокристал­ ле a-циркония в зависимости от кристаллографического направ­ ления показан на рис. 2.1. В направлении, перпендикулярном к плоскости базиса {0001}, величина нормального модуля упруго­ сти наибольшая и на 25% выше, чем в направлении, совпадаю­ щем с плоскостью базиса.

Анизотропия упругих свойств характерна и для поликристаллического циркония и зависит от состояния металла. Нор­ мальный модуль упругости иодидного циркония при комнатной

2* 19

модуль упругости, заметной становится и его анизотропия. Для холоднодеформированного на 75—90% иодидного циркония

с

Рис. 2.1. Изменение модуля Юнга в зависимости от кри­ сталлографического направления в a-Zr.

модуль упругости при комнатной температуре составляет (9,0±1,7) • 103 кгс/мм2в направлении прокатки и 8,3 • 103 кгс/мм2 в поперечном направлении [187]. Характер изменения модуля упругости иодидного циркония в зависимости от степени холод­ ной деформации показан на рис. 2.2.

С повышением температуры модуль упругости уменьшается. Данные об изменении модуля упругости в зависимости от тем­ пературы для иодидного циркония приведены в табл. 2.1. Мо­ дуль 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 отли­ чается от модуля иодидного металла и при комнатной темпе­ ратуре составляет (9-f-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 леги­ рование циркония элементами Sn, Fe, Сг, Ni, Си и Мо в соот­ ветствующих пределах приводит к некоторому увеличению мо­ дулей упругости и сдвига.

20

Большинство данных по оценке упругих свойств сплавов циркония получено для сплавов типа циркалой. При комнатной температуре модуль упругости сплавов типа циркалой равен (9,74-10) • 103 кгс/мм2, с повышением температуры до 550° С происходит его монотонное уменьшение до (64- 6,6) -103 кгс/мм2. Модуль сдвига сплава циркалой-2 при комнатной температуре

Деформация, %

разцов из сплавов типа циркалой характерно различие моду­ лей упругости в направлении прокатки и в поперечном направ­ лении. В поперечном направлении величина модуля, как пра­ вило, на 10—15% выше, чем в направлении прокатки.

Данные о характеристиках упругости других сплавов весь­ ма малочисленны. Модуль упругости для сплава ATR [Zr—(0,44- 0,6) % Си—(0,54-0,6) % Мо] несколько выше, чем у сплавов типа циркалой. При комнатной температуре он равен

1Ы 03 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 упруго­ сти чистого циркония, но несколько меньше, чем у сплавов типа циркалой и составляет 9,3-103 и 9,1 -103 кгс/мм2. При тем­ пературах 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 комнат­ ной 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 спла­ вов, однако, характерно меньшее изменение модуля при нагре­ ве, 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). Такой характер изме-

21

Т а б л и ц а 2.1

Модуль упругости циркония и его сплавов

П р и м е ч а н и е . Все данные относятся к сплавам в отожженном состоянии.